JP6436906B2 - Sodium-halogen secondary battery - Google Patents

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Description

本出願は、2012年9月6日出願の米国仮特許出願第61/697,608号(発明の名称:ナトリウム−ハロゲン電池)の優先権を享受する。本出願は、更に、2013年3月12日出願の米国仮特許出願第61/777,967号(発明の名称:ナトリウム−ハロゲン二次電池)の優先権を享受する。本出願は、更に、2013年3月14日出願の米国仮特許出願第61/781,530号(発明の名称:ナトリウム−ハロゲン二次フロー電池)の優先権を享受する。本出願は、更に、2012年12月12日出願の米国仮特許出願第61/736,444(発明の名称:臭素または臭化物電極とナトリウム選択性膜を有する電池)の優先権を享受する。これら全ての先願は参照により本出願に援用される。   This application enjoys priority from US Provisional Patent Application No. 61 / 697,608, filed Sep. 6, 2012 (Title of Invention: Sodium-Halogen Battery). This application further enjoys the priority of US Provisional Patent Application No. 61 / 777,967 (Title of Invention: Sodium-Halogen Secondary Battery) filed March 12, 2013. This application further enjoys the priority of US Provisional Patent Application No. 61 / 781,530 (Title of Invention: Sodium-Halogen Secondary Flow Battery) filed March 14, 2013. This application further enjoys the priority of US Provisional Patent Application No. 61 / 736,444 filed Dec. 12, 2012 (Invention: Battery having bromine or bromide electrode and sodium selective membrane). All of these prior applications are incorporated herein by reference.

連邦政府の資金に関する陳述:本発明は、サンディア国立研究所から与えられた契約番号1189875の連邦政府の援助によってなされたものである。政府は本発明において一定の権利を有する。   Federal Government Statement: This invention was made with federal government support under contract number 1189875 awarded by Sandia National Laboratory. The government has certain rights in the invention.

本発明は電池に関する。具体的には、本発明は、ナトリウムイオン伝導性電解質膜およびハロゲン及び/又は化合物から成る液体正極溶液を有するナトリウム系二次電池(または再充電可能電池)を提供する。   The present invention relates to a battery. Specifically, the present invention provides a sodium-based secondary battery (or rechargeable battery) having a liquid cathode solution comprising a sodium ion conductive electrolyte membrane and a halogen and / or a compound.

電池は、周知のように種々の用途のための電気エネルギーを貯蔵および放出するために使われる。電気エネルギーを生み出すために、電池は、代表的には化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。通常、単電池は、外部回路に通じている以外は電気的に絶縁された2つの半セルから成る1つ以上のガルバニ電池を含むものである。放電中は、電気化学的還元が正極で起こり、一方電気化学的酸化が電池の負極で起こる。電池中の正極および負極は互いに物理的に接触していないが、それらは、通常、少なくとも1つの(又はそれ以上)イオン電導性および電気絶縁性で、固体状態、液体状態またはそれらの組合せの状態で電解質によって化学的には接続されている。外部電極または外部負荷が、負極に接続されている端子と正極に接続されている端子とに接続されると、電池は外部回路を通じて電子を流し、イオンは電解質を通じて移動する。   Batteries are used to store and release electrical energy for various applications as is well known. In order to produce electrical energy, batteries typically convert chemical energy directly into electrical energy. A cell typically includes one or more galvanic cells consisting of two half-cells that are electrically isolated except in communication with an external circuit. During discharge, electrochemical reduction occurs at the positive electrode, while electrochemical oxidation occurs at the negative electrode of the battery. Although the positive and negative electrodes in a battery are not in physical contact with each other, they are usually at least one (or more) ionic conductive and electrically insulating, in a solid state, a liquid state, or a combination thereof It is chemically connected by an electrolyte. When an external electrode or external load is connected to a terminal connected to the negative electrode and a terminal connected to the positive electrode, the battery conducts electrons through the external circuit and the ions move through the electrolyte.

電池は種々の方法に分類される。例えば、完全に一回の放電のみの電池は、一次電池または一次セルと言われる。それに対し、放電および充電を一度以上繰り返せる電池は、二次電池または二次セルと言われる。複数回充放電出来るセルまたは電池の性能はそれぞれの充電および放電サイクルのファラデー効率による。   Batteries are classified into various methods. For example, a battery that is completely discharged only once is called a primary battery or a primary cell. On the other hand, a battery that can be repeatedly discharged and charged once or more is called a secondary battery or a secondary cell. The performance of a cell or battery that can be charged and discharged multiple times depends on the Faraday efficiency of each charge and discharge cycle.

ナトリウム系の再充電可能な電池は種々の材料および構成から成るが、多くは(全てではないが)、高ファラデー効率を必要とするナトリウム電池は、固体セラミック一次電解質膜などの固体一次電解質セパレーターを使用する。固体セラミック一次電解質膜を使用する主な利点は、その電池のファラデー効果が100%に達することである。確かに、ほとんどの他の電池の電池構成、電極溶液は経時的に内部混合でき、それによりファラデー効率が低くなり、電池容量が失われる。   Sodium-based rechargeable batteries are composed of a variety of materials and configurations, but many, if not all, sodium batteries that require high Faraday efficiency include solid primary electrolyte separators such as solid ceramic primary electrolyte membranes. use. The main advantage of using a solid ceramic primary electrolyte membrane is that the Faraday effect of the battery reaches 100%. Indeed, the battery configuration and electrode solution of most other batteries can be internally mixed over time, thereby reducing Faraday efficiency and losing battery capacity.

高いファラデー効率を必要とするナトリウム電池に使用される一次電解質セパレーターは、しばしばイオン電導性ポリマー、イオン電導性液体またはゲルを内包した多孔質材料、または緻密セラミックから成る。これに関し、現在商業的に入手できる多くの再充電可能ナトリウム電池は、溶融ナトリウム金属負極、ナトリウムβ’’−アルミナセラミック電解質セパレーター、および、溶融硫黄および炭素複合体を含む溶融正極から成る(ナトリウム/硫黄電池と呼ばれる)。これらの従来の高温ナトリウム系充電式電池は、比較的高い比エネルギー密度を有するものの、電力密度はそれほど大きくないために、そのような再充電可能電池は、一般に高い比エネルギーを要求されるが高い電力を通常必要としないある特殊な用途、例えば定常電源や無停電電源などに使用される。   Primary electrolyte separators used in sodium batteries that require high Faraday efficiency often consist of a porous material containing an ion conducting polymer, an ion conducting liquid or gel, or a dense ceramic. In this regard, many commercially available rechargeable sodium batteries consist of a molten sodium metal anode, a sodium β ″ -alumina ceramic electrolyte separator, and a molten cathode containing molten sulfur and a carbon composite (sodium / Called sulfur battery). Although these conventional high temperature sodium-based rechargeable batteries have a relatively high specific energy density, the power density is not so high, such rechargeable batteries are generally required to have a high specific energy, but high It is used for certain special applications that normally do not require power, such as stationary power supplies and uninterruptible power supplies.

従来のナトリウム系充電式電池に関して利点があるにもかかわらず、そのような電池は重大な欠点も有る。ある例において、ナトリウムβ''−アルミナセラミック電解質セパレーターは、一般的に、約270℃を超える温度においてより伝導性であり、溶融ナトリウムによる濡れ性がより良好であるため、及び/又は、溶融正極が溶融状態を維持できるのに、通常比較的高い温度(例えば、約170℃又は180℃の温度)を必要とするため、多くの従来式ナトリウム系充電式電池は約270℃よりも高い温度で作動し、重大な熱管理問題および熱密封問題に曝される。例えば、あるナトリウム系充電式電池は、電池からの熱消散または比較的高い動作温度における負極および正極の維持が困難である。他の例では、あるナトリウム系電池の比較的高い動作温度によって重大な安全性の問題を生じる。更に他の例では、あるナトリウム系電池の比較的高い動作温度が、そのような高い温度に耐え、動作可能な構成部材を必要とする。従って、そのような部材は比較的高価である。更に他の例では、ある従来のナトリウム系電池を比較的高い温度に加熱するために比較的大きなエネルギーを必要とするため、そのような電池は動作にコストがかかり、エネルギー的に非効率である。   Despite the advantages associated with conventional sodium-based rechargeable batteries, such batteries also have significant drawbacks. In certain instances, sodium β ″ -alumina ceramic electrolyte separators are generally more conductive at temperatures above about 270 ° C., and better wettability with molten sodium, and / or molten cathodes. Many conventional sodium-based rechargeable batteries are at temperatures above about 270 ° C. because they typically require relatively high temperatures (eg, temperatures of about 170 ° C. or 180 ° C.) in order to maintain a molten state. Operates and is exposed to serious thermal management and heat sealing problems. For example, some sodium-based rechargeable batteries are difficult to dissipate heat from the battery or maintain the negative and positive electrodes at relatively high operating temperatures. In other examples, the relatively high operating temperature of certain sodium-based batteries creates significant safety issues. In yet another example, the relatively high operating temperature of certain sodium-based batteries requires components that can withstand and operate at such high temperatures. Accordingly, such members are relatively expensive. In yet another example, such a battery is costly to operate and energetically inefficient because it requires a relatively large amount of energy to heat a conventional sodium-based battery to a relatively high temperature. .

ナトリウム系充電式電池は利用できるものの、前述の問題を含む電池に伴う課題もまた存在する。従って、本分野における従来のナトリウム系充電式電池の改良や、他のナトリウム系充電式電池に代替する要望が高まっている。   Although sodium-based rechargeable batteries can be used, there are also challenges associated with batteries including the aforementioned problems. Therefore, there is an increasing demand for improvement of conventional sodium-based rechargeable batteries in this field and substitution for other sodium-based rechargeable batteries.

本発明は、ナトリウム−ハロゲン二次電池を提供する。記載されるナトリウム−ハロゲン二次電池はいかなる好適な構成要素を含んでもよいが、ある実施態様において、電池は、負のナトリウム−系電極を収容する負極室を含む。そのような実施態様において、電池はまた、ハロゲン及び/又はハロゲン化合物を含む液体正極溶液中に配置される集電体を収容する正極室を含む。電池は更に、液体正極溶液から負極を分離するナトリウムイオン伝導性電解質膜を含む。   The present invention provides a sodium-halogen secondary battery. While the sodium-halogen secondary battery described may include any suitable component, in certain embodiments, the battery includes a negative electrode chamber that houses a negative sodium-based electrode. In such embodiments, the battery also includes a positive electrode chamber that houses a current collector disposed in a liquid positive electrode solution containing halogen and / or a halogen compound. The battery further includes a sodium ion conductive electrolyte membrane that separates the negative electrode from the liquid positive electrode solution.

負極はいかなる好適なナトリウム系アノードから成っていてもよく、ある実施態様において、負極は電池作動時に溶融状態であるナトリウム金属から成る。他の実施例において、しかしながら、負極がナトリウムアノード又は電池作動時に固体として残るナトリウムインターカレーション炭素(ナトリウム挿入炭素)から成っていてもよい。電池の作動時に負極が固体として残るそのような実施例において、電池は、負極および電解質膜の間に配置される非水陽極液溶液(非水負極液)を含む。 The negative electrode may comprise any suitable sodium-based anode, and in certain embodiments, the negative electrode comprises sodium metal that is in a molten state during battery operation. In other embodiments, however, the negative electrode may consist of a sodium anode or sodium intercalated carbon (sodium intercalated carbon) that remains as a solid upon battery operation. In such embodiments where the negative electrode remains as a solid upon battery operation, the battery includes a non-aqueous anolyte solution (non- aqueous negative electrode solution ) disposed between the negative electrode and the electrolyte membrane.

ナトリウムイオン伝導性電解質膜は、(ここでは、ある好適なセパレーターとして参照する)ナトリウムイオンを選択的に移送し、電池の作動温度において安定であり、正極溶液および負極(または非水陽極液)と接触しても安定であり、所望の電池機能を達成できるのであれば、いかなる膜から成っていてもよい。実際に、ある実施態様において、これに限定されないが、電解質膜は、実質的に水が非透過であるNaSICON型膜(例えば、NaSELECT(登録商標)膜、セラマテック社製、ソルトレークシティー、ユタ州)から成る。従って、そのような実施例において、水非透過電解質膜を使用するため、正極溶液が、ナトリウム負極に接触すれば激しく反応するような水溶液から成ってもよい。   A sodium ion conducting electrolyte membrane selectively transports sodium ions (referred to herein as a suitable separator), is stable at the operating temperature of the battery, and contains a positive electrode solution and a negative electrode (or non-aqueous anolyte). Any film may be used as long as it is stable even when contacted and can achieve a desired battery function. Indeed, in certain embodiments, but not limited to, the electrolyte membrane is a NaSICON-type membrane that is substantially impermeable to water (eg, NaSELECT® membrane, manufactured by Ceratech, Salt Lake City, Utah). Consists of. Therefore, in such an embodiment, since the water non-permeable electrolyte membrane is used, the positive electrode solution may be composed of an aqueous solution that reacts violently when in contact with the sodium negative electrode.

正極室中の集電体は、電池が所望の通り機能するのであれば、如何なる好適な材料から成っていてもよい。実際には、これに限定されないが、集電体は、ワイヤー、フェルト、メッシュ、プレート、チューブ、スポンジ(発泡体)又は他の好適な集電体構造から成る。更に、集電体は如何なる好適な材料から成っていてもよいが、ある実施態様において、炭素、白金、銅、ニッケル、亜鉛、ナトリウム挿入(インターカレーション)カソード材料(例えば、NaMnO)及び/又は他の好適な集電体材料などが挙げられる。 The current collector in the positive electrode chamber may be made of any suitable material as long as the battery functions as desired. In practice, but not limited to this, the current collector comprises a wire, felt, mesh, plate, tube, sponge (foam) or other suitable current collector structure. Further, the current collector may be composed of any suitable material, but in certain embodiments, carbon, platinum, copper, nickel, zinc, sodium intercalation cathode materials (eg, Na x MnO 2 ). And / or other suitable current collector materials.

正極室中の液体正極溶液は、電解質膜に及び電解質膜からナトリウムイオンを伝導でき、電池が所望の通り機能するのであれば、如何なる好適な材料から成っていてもよい。好適な正極溶液材料の例として、これには限定されないが、容易にナトリウムイオンを伝導でき、化学的に電解質膜と相溶性がある水性溶媒(例えば、ジメチルスルホキシド、NMF(N−メチルホルムアミド)等)および非水溶媒(例えば、グリセロール、イオン性液体、有機電解質など)が挙げられる。更に、ある実施態様において、正極溶液は溶融フルオロスルホニルアミド(例えば、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム−(ビス(フルオロスルホニル)アミド)([EMIM][FSA])から成る。   The liquid cathode solution in the cathode chamber may be made of any suitable material as long as it can conduct sodium ions to and from the electrolyte membrane and the battery functions as desired. Examples of suitable cathode solution materials include, but are not limited to, aqueous solvents that can easily conduct sodium ions and are chemically compatible with the electrolyte membrane (eg, dimethyl sulfoxide, NMF (N-methylformamide), etc. ) And non-aqueous solvents (eg, glycerol, ionic liquids, organic electrolytes, etc.). Further, in some embodiments, the positive electrode solution comprises molten fluorosulfonylamide (eg, 1-ethyl-3-methylimidazolium- (bis (fluorosulfonyl) amide) ([EMIM] [FSA])).

正極溶液は、ハロゲン及び/又はハロゲン化合物から成る。好適なハロゲンの例としては、臭素、ヨウ素および塩素が挙げられる。同様に、好適なハロゲン化合物の例としては、臭化物イオン、ポリ臭化物イオン、ヨウ化物イオン、ポリヨウ化物イオン、塩化物イオン及びポリ塩化物イオンが挙げられる。ハロゲン/ハロゲン化合物は、適当な方法で正極溶液中に導入される。ある実施態様において、それらはNaBr、NaI又はNaClとして添加される。   The positive electrode solution is composed of halogen and / or a halogen compound. Examples of suitable halogens include bromine, iodine and chlorine. Similarly, examples of suitable halogen compounds include bromide ions, polybromide ions, iodide ions, polyiodide ions, chloride ions and polychloride ions. The halogen / halogen compound is introduced into the cathode solution by a suitable method. In certain embodiments, they are added as NaBr, NaI or NaCl.

ある実施態様において、記載された電池は、正極溶液中および/または正極室中に存在する自由に浮遊できるハロゲンの量を制限するように改変されている。電池内のハロゲンの量は、好適な方法により減少および/または制御でき、ある実施態様において、その方法は、(1)十分な量のナトリウムハロゲン化合物(例えば、NaBr、NaI等)及び/又はハロゲン分子(例えば、臭素、ヨウ素など)を含み、正極溶液中のフリーハロゲンからポリハロゲン化合物(例えば、Br 、I 等)を形成することによる方法、(2)正極溶液中のハロゲン化合物、ハロゲン及び/又はポリハロゲン化合物と付加物(アダクト又は他の錯体)を形成するような錯化剤(例えば、臭化テトラメチルアンモニウム、ヨウ化テトラメチルアンモニウム、N−メチル−N−メチルモルホリン臭化物、N−メチル−N−メチルモルホリンヨウ化物)を加えることによる方法、(3)酸化して溶液中のハロゲン化合物イオンと反応できる金属イオンを形成する金属(例えば、銅、ニッケル、亜鉛など)から成る集電体であって、溶液中のハロゲン化合物イオンが酸化されて対応するハロゲンを形成する前に金属ハロゲン化合物(例えば、CuBr、CuI、NiBr、NiI、ZnBr、ZnI等)を形成できる集電体を使用することによって、(4)またはこれらの好ましい組合せによる方法が挙げられる。 In certain embodiments, the described battery is modified to limit the amount of freely floatable halogen present in the cathode solution and / or in the cathode chamber. The amount of halogen in the battery can be reduced and / or controlled by any suitable method, and in certain embodiments, the method comprises (1) a sufficient amount of sodium halogen compound (eg, NaBr, NaI, etc.) and / or halogen. A method comprising forming a polyhalogen compound (eg, Br 3 , I 3 —, etc.) from free halogen in the positive electrode solution containing a molecule (eg, bromine, iodine, etc.), (2) a halogen compound in the positive electrode solution Complexing agents such as tetramethylammonium bromide, tetramethylammonium iodide, N-methyl-N-methylmorpholine bromide, which form adducts (adducts or other complexes) with halogens and / or polyhalogen compounds , N-methyl-N-methylmorpholine iodide), (3) oxidation to halo in solution A current collector made of a metal (eg, copper, nickel, zinc, etc.) that forms a metal ion that can react with a metal compound ion before the halogen compound ion in solution is oxidized to form the corresponding halogen. By using a current collector capable of forming a halogen compound (for example, CuBr, CuI, NiBr 2 , NiI 2 , ZnBr 2 , ZnI 2, etc.), the method according to (4) or a preferred combination thereof can be mentioned.

ある実施態様において、電池が高い温度において動作している場合、形成されたハロゲンと錯体を形成し、溶液中にこの構成要素がとどまるように(ガスに転換されないように)、過剰のナトリウムハロゲン化合物(例えば、過剰のI、Br)又は錯化剤を含むことが好ましい。事実、ある実施態様において、1/3またはそれを超えてまで、NaI(ナトリウムハロゲン化合物または錯化剤)がヶ以内に添加されてもよい。更に、Iを使用するある実施態様において、電池の外枠が、内側部にTeflon(登録商標)を有する最高のステンレススチールから成り、他の部分はより安価な他の種類のステンレススチール等の材料を使用してもよい。他の実施態様において、カソード室は、テフロン(登録商標)裏地を有するポリエーテルエーテルケトン(PEEK)から形成される。Teflon(テフロン、登録商標)はDuPont社の登録商標である。 In certain embodiments, when the battery is operating at an elevated temperature, an excess of the sodium halide compound will form a complex with the formed halogen so that this component remains in solution (so as not to be converted to a gas). It is preferred to include (eg, excess I 2 , Br 2 ) or complexing agents. In fact, in some embodiments, NaI (sodium halide or complexing agent) may be added up to 1/3 or more. Furthermore, in certain embodiments employing I 2, the outer frame of the battery, the inner portion Teflon made best stainless steel having (registered trademark), other parts, such as less expensive other types of stainless steel Materials may be used. In another embodiment, the cathode chamber is formed from polyetheretherketone (PEEK) with a Teflon backing. Teflon (registered trademark) is a registered trademark of DuPont.

ある実施態様において、電池は正極室と液流で通じている第1のリザーバーを有する。そのような実施態様において、第1のリザーバーは、液体正極溶液を第1のリザーバーから正極室に流し、集電体を通過させるように構成された第1のポンプ機構に接続されている。ある実施態様において、電池は更に、負極室と液流で通じている第2の液流リザーバーを有する。そのような実施態様において、第2のリザーバーは溶融負極(または非水陽極液)を第2のリザーバーから負極室に流すように構成された第2のポンプ機構に接続されている。   In certain embodiments, the battery has a first reservoir in fluid communication with the positive electrode chamber. In such an embodiment, the first reservoir is connected to a first pump mechanism configured to flow the liquid cathode solution from the first reservoir to the cathode chamber and through the current collector. In some embodiments, the battery further includes a second fluid flow reservoir in fluid communication with the negative electrode chamber. In such an embodiment, the second reservoir is connected to a second pump mechanism configured to flow a molten negative electrode (or non-aqueous anolyte) from the second reservoir to the negative electrode chamber.

記載される二次電池はいかなる好適な作動温度で作動させてもよい。確かに、電池作動時に負極が溶融状態であるような実施例において、負極の温度が約100℃〜約150℃(例えば、約120℃±約10℃)の間で電池は機能する(例えば、放電または充電)。更に、電池作動時に負極が固体状態として残っているような実施例において、負極の温度を約60℃未満(例えば、約20℃±約10℃)にとどめることが出来る。更なる実施態様において、電池は、250℃未満で、又は200℃未満で、又は180℃未満、又は150℃未満で作動させるように設計されてもよい。   The described secondary battery may be operated at any suitable operating temperature. Certainly, in embodiments where the negative electrode is in a molten state when the battery is operating, the battery functions between about 100 ° C. to about 150 ° C. (eg, about 120 ° C. ± about 10 ° C.) (eg, Discharge or charge). Further, in embodiments where the negative electrode remains in a solid state upon battery operation, the temperature of the negative electrode can be kept below about 60 ° C. (eg, about 20 ° C. ± about 10 ° C.). In further embodiments, the battery may be designed to operate below 250 ° C, or below 200 ° C, or below 180 ° C, or below 150 ° C.

本発明の実施態様のこれらの要旨および利点は、以下の記載および添付する特許請求の範囲から、更に十分に明らかになるであろう。   These aspects and advantages of embodiments of the present invention will become more fully apparent from the following description and appended claims.

本発明は、ナトリウムイオン伝導性電解質膜およびハロゲン及び/又は化合物から成る液体正極溶液を有するナトリウム系二次電池(または再充電可能電池)を提供できる。   The present invention can provide a sodium-based secondary battery (or rechargeable battery) having a liquid cathode solution composed of a sodium ion conductive electrolyte membrane and a halogen and / or a compound.

図1は、電池が放電状態における溶融ナトリウム負極から成るナトリウム−ハロゲン二次電池の代表的な実施態様の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a representative embodiment of a sodium-halogen secondary battery comprising a molten sodium negative electrode when the battery is in a discharged state. 図1Aは、電池が放電状態における溶融ナトリウム負極とポンプ機構とから成るナトリウム−ハロゲン二次電池の代表的な実施態様の概略図である。FIG. 1A is a schematic diagram of an exemplary embodiment of a sodium-halogen secondary battery comprising a molten sodium negative electrode and a pump mechanism when the battery is in a discharged state. 図2は、電池が再充電状態における溶融ナトリウム負極から成るナトリウム−ハロゲン二次電池の代表的な実施態様の概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of an exemplary embodiment of a sodium-halogen secondary battery comprising a molten sodium negative electrode when the battery is in a recharged state. 図2Aは、電池が再充電状態における溶融ナトリウム負極とポンプ機構とから成るナトリウム−ハロゲン二次電池の代表的な実施態様の概略図である。FIG. 2A is a schematic diagram of an exemplary embodiment of a sodium-halogen secondary battery comprising a molten sodium negative electrode and a pump mechanism when the battery is in a recharged state. 図3は、電池の正極室内に負極室の少なくとも一部が配置されるチューブ状の設計を有するナトリウム−ハロゲン二次電池の代表的な実施態様の断面透視図である。FIG. 3 is a cross-sectional perspective view of a representative embodiment of a sodium-halogen secondary battery having a tubular design in which at least a portion of the negative electrode chamber is disposed within the positive electrode chamber of the battery. 図3Aは、電池の正極室内に負極室の少なくとも一部が配置されるチューブ状の設計を有するナトリウム−ハロゲン二次電池の他の代表的な実施態様の断面透視図である。FIG. 3A is a cross-sectional perspective view of another exemplary embodiment of a sodium-halogen secondary battery having a tubular design in which at least a portion of the negative electrode chamber is disposed within the positive electrode chamber of the battery. 図4は、固体負極および負極とナトリウム伝導性固体電解質膜との間に配置される非水陽極液から成るナトリウム−ハロゲン二次電池の代表的な実施態様の概略図である。FIG. 4 is a schematic view of a representative embodiment of a sodium-halogen secondary battery comprising a solid negative electrode and a non-aqueous anolyte disposed between the negative electrode and a sodium conductive solid electrolyte membrane. 図4Aは、固体負極、ポンプ機構および負極とナトリウム伝導性固体電解質膜との間に配置される非水陽極液から成るナトリウム−ハロゲン二次電池の代表的な実施態様の概略図である。FIG. 4A is a schematic diagram of an exemplary embodiment of a sodium-halogen secondary battery consisting of a solid negative electrode, a pump mechanism and a non-aqueous anolyte disposed between the negative electrode and a sodium conductive solid electrolyte membrane. 図5Aは、本発明の実施態様で使用する好適なNaSICON型材料の代表的な実施態様の断面顕微鏡写真である。FIG. 5A is a cross-sectional photomicrograph of a representative embodiment of a suitable NaSICON type material for use with embodiments of the present invention. 図5Bは、本発明の実施態様で使用する好適なNaSICON型材料の代表的な実施態様の断面顕微鏡写真である。FIG. 5B is a cross-sectional photomicrograph of a representative embodiment of a suitable NaSICON type material for use in embodiments of the present invention. 図6は、電池中の正極溶液が溶融ナトリウムハロゲン化合物および溶融ナトリウムフルオロスルホニルアミドから成るナトリウム−ハロゲン二次電池の代表的な実施態様の概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of an exemplary embodiment of a sodium-halogen secondary battery in which the positive electrode solution in the battery is composed of a molten sodium halogen compound and molten sodium fluorosulfonylamide. 図6Aは、電池中の正極溶液が溶融ナトリウムハロゲン化合物および溶融ナトリウムフルオロスルホニルアミドから成り、ポンプ機構を有するナトリウム−ハロゲン二次電池の代表的な実施態様の概略図である。FIG. 6A is a schematic diagram of an exemplary embodiment of a sodium-halogen secondary battery in which the positive electrode solution in the battery is composed of a molten sodium halogen compound and a molten sodium fluorosulfonylamide and has a pump mechanism. 図7Aは、電池の正極室を介して正極溶液を流し、電池の負極室を介して負極を流すように構成されたポンプ機構を有するナトリウム−ハロゲン二次電池の代表的な実施態様の概略図である。FIG. 7A is a schematic diagram of a representative embodiment of a sodium-halogen secondary battery having a pump mechanism configured to flow a positive electrode solution through the positive electrode chamber of the battery and a negative electrode through the negative electrode chamber of the battery. It is. 図8は、試験電池の代表的な実施態様の動作テストから得られた実験結果を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing experimental results obtained from an operational test of a representative embodiment of a test battery. 図9は、試験電池の代表的な実施態様の動作テストから得られた実験結果を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing experimental results obtained from an operational test of a representative embodiment of a test battery. 図10は、試験電池の代表的な実施態様の動作テストから得られた実験結果を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing experimental results obtained from an operational test of a representative embodiment of a test battery. 図11は、試験電池の代表的な実施態様の動作テストから得られた実験結果を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing experimental results obtained from an operational test of a representative embodiment of a test battery. 図12は、試験電池の代表的な実施態様の動作テストから得られた実験結果を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing experimental results obtained from an operational test of a representative embodiment of a test battery. 図13は、試験電池の代表的な実施態様の動作テストから得られた実験結果を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing experimental results obtained from an operational test of a representative embodiment of a test battery. 図14は、本発明に従った他の電池の概略図である。FIG. 14 is a schematic diagram of another battery according to the present invention. 図15は、本発明に従った他の電池の概略図である。FIG. 15 is a schematic diagram of another battery according to the present invention. 図16は、本発明に従った他の電池の概略図である。FIG. 16 is a schematic diagram of another battery according to the present invention. 図17は、本発明に従った他の電池の概略図である。FIG. 17 is a schematic diagram of another battery according to the present invention.

この明細書を通じて参照される「ある実施態様」、「1つの実施態様」または類似の語は、実施態様に関連して記載される具体的な要旨、構成および性能が本発明の少なくとも1つの実施態様に含まれることを意味する。それ故、本明細書を通じて「ある実施態様において」、「1つの実施態様において」、「他の実施態様において」及び類似の語は、全て同じ実施態様を参照してもよく、また必ずしもそうでなくてもよい。更に、以下の記載は本発明に記載の種々の構成要素および要旨の幾つかの実施態様および実施例を参照するが、記載された実施態様および実施例の全ては、あらゆる点において単なる例示であり、如何なる方法においても本発明がこれらに限定されているわけではないと理解すべきである。   Throughout this specification "an embodiment," "one embodiment," or similar terms refers to a specific gist, structure, and performance that is described in connection with the embodiments in at least one implementation of the invention. It is meant to be included in the embodiment. Thus, throughout this specification "in one embodiment", "in one embodiment", "in another embodiment" and similar terms may all refer to the same embodiment, and are not necessarily so. It does not have to be. Furthermore, the following description refers to several embodiments and examples of the various components and gist described in the present invention, but all of the described embodiments and examples are merely illustrative in all respects. It should be understood that the present invention is not limited to these methods in any way.

更に、記載される本発明の要旨、構成および特性は、1つ以上の実施態様においていかなる好適な方法により組合せてもよい。本発明の実施態様を十分な理解のために、以下に、ナトリウム系負極、液体正極溶液、集電体、ナトリウムイオン伝導性電解質膜などの多数の具体的な記載例として与えられる。当業者ならば、一つ以上の具体的な記載無しで、または、具体的な他の記載や他の方法、構成要素、材料などを伴って実施することが出来ることは理解できるであろう。他の実施態様において、本発明の要旨を不明確にするのを避けるため公知の構造、材料、操作は記載されていないか、あるいは詳述していない。   Furthermore, the described subject matter, structures, and characteristics of the invention may be combined in any suitable manner in one or more embodiments. For a thorough understanding of embodiments of the present invention, the following are given as a number of specific description examples such as sodium-based anodes, liquid cathode solutions, current collectors, sodium ion conducting electrolyte membranes, and the like. One skilled in the art will appreciate that the present invention can be practiced without one or more specific descriptions or with other specific descriptions, other methods, components, materials, and the like. In other embodiments, well-known structures, materials, and operations have not been described or described in detail so as not to obscure the subject matter of the present invention.

上述の通り二次電池は放電および充電できるため、本明細書では電池の両方の状態の構成および方法について記載する。「再充電」という語は様々な種類を持ち、2回目の充電という意味合いがあるが、当業者であれば、再充電に関する議論は第1又は初期充電およびその逆にも有効であることは理解できるであろう。それ故、本明細書の目的として、「再充電」「再充電された」及び「再充電可能」の語は、「充電」「充電された」及び「充電可能」の語とそれぞれ置き換え可能である。   Since the secondary battery can be discharged and charged as described above, the configuration and method of both states of the battery are described herein. The term “recharge” has various types and has the meaning of a second charge, but one skilled in the art understands that the recharge discussion is valid for the first or initial charge and vice versa. It will be possible. Therefore, for purposes of this specification, the terms “recharge”, “recharged” and “rechargeable” can be replaced with the terms “charge”, “charged” and “chargeable”, respectively. is there.

本発明の実施態様は、ナトリウムとハロゲン及びハロゲン化合物の少なくとも1つから成る液体正極溶液とから成る負極を有するナトリウム−ハロゲン二次電池を提供する。ここに記載される電池はいかなる好適な構成要素から成ることが出来るが、図1に、ナトリウム系負極20を含む負極室15と、液体正極溶液35中に配置される集電体30から成る正極室25と、正極溶液から負極を分離するナトリウムイオン伝導性電解質膜40と、第1の端子45と、第2の端子50とから成るナトリウム−ハロゲン二次電池10の代表的な実施態様を示す。記載される電池10をより良く理解するために、電池の機能がどのようなものであるかを以下に簡単に説明する。以下の説明において、図1に示される電池のそれぞれの構成要素はより詳しく説明される。   An embodiment of the present invention provides a sodium-halogen secondary battery having a negative electrode composed of sodium and a liquid positive electrode solution composed of at least one of halogen and a halogen compound. Although the battery described herein can be composed of any suitable component, FIG. 1 shows a positive electrode comprising a negative electrode chamber 15 containing a sodium-based negative electrode 20 and a current collector 30 disposed in a liquid positive electrode solution 35. A representative embodiment of the sodium-halogen secondary battery 10 comprising the chamber 25, a sodium ion conductive electrolyte membrane 40 for separating the negative electrode from the positive electrode solution, a first terminal 45, and a second terminal 50 is shown. . In order to better understand the battery 10 described, what the battery functions are briefly described below. In the following description, each component of the battery shown in FIG. 1 will be described in more detail.

ナトリウム−ハロゲン二次電池10が機能する方法について説明すると、電池は如何なる好適な方法においてもほとんど機能する。1つの例を図1に示す。図1において、電池10は放電状態で、電子(e)が負極20から流れ(例えば、第1の端子45を介して)、ナトリウムは負極20から酸化してナトリウムイオン(Na)を形成する。図1は、これらのナトリウムイオンが、それぞれ、ナトリウム系負極20からナトリウムイオン伝導性電解質膜40を介して正極溶液35に移送されることを示す。 Describing how the sodium-halogen secondary battery 10 functions, the battery will function almost in any suitable manner. One example is shown in FIG. In FIG. 1, the battery 10 is in a discharged state, electrons (e ) flow from the negative electrode 20 (for example, via the first terminal 45), and sodium oxidizes from the negative electrode 20 to form sodium ions (Na + ). To do. FIG. 1 shows that these sodium ions are transferred from the sodium-based negative electrode 20 to the positive electrode solution 35 through the sodium ion conductive electrolyte membrane 40, respectively.

対照的な例を図2に示す。図2において、二次電池10は再充電状態で、電子(e)が充電器などの外部電源(図示せず)からナトリウム系負極20に流れ、電池10が放電する場合(図1に示すように)と逆の化学反応が起こる。具体的には、図2は、に示すように、電池10が再充電状態で、ナトリウムイオン(Na)が、それぞれ、正極溶液35から電解質膜40を介して負極20に移送され、ナトリウムイオンが還元されてナトリウム金属(Na)を形成する。 A contrasting example is shown in FIG. In FIG. 2, the secondary battery 10 is in a recharged state, and electrons (e ) flow from an external power source (not shown) such as a charger to the sodium-based negative electrode 20 and the battery 10 is discharged (shown in FIG. 1). The opposite chemical reaction occurs. Specifically, as shown in FIG. 2, when the battery 10 is in a recharged state, sodium ions (Na + ) are respectively transferred from the positive electrode solution 35 to the negative electrode 20 via the electrolyte membrane 40, and sodium ions Is reduced to form sodium metal (Na).

電池10の種々の構成要素について説明すると、電池10(上述のように)負極室15及び正極室25から成る。これに関し、これらの2つの室は、いかなる好適な形状または寸法であってもよく、電池10が所望の機能をするのであれば他の好適な特性を有していてもよい。例えば、負極室および正極室は、チューブ状、矩形または他の好適な形状であってもよい。更に、これらの2室は、互いにいかなる好適な空間的配置関係を有していてもよい。例えば、図2は、負極室15及び正極室25が互いに近接しているある実施態様を示し、図3は、ある室(例えば、負極室15)の少なくとも一部が他の室(例えば、正極室25)内に配置され、2つの室の内容物が電解質膜40及び他の隔壁によって分離されているある実施態様を示す。   The various components of the battery 10 will be described. The battery 10 (as described above) includes a negative electrode chamber 15 and a positive electrode chamber 25. In this regard, these two chambers may be of any suitable shape or size and may have other suitable characteristics provided that the battery 10 performs the desired function. For example, the negative electrode chamber and the positive electrode chamber may be tubular, rectangular, or other suitable shape. Further, these two chambers may have any suitable spatial relationship with each other. For example, FIG. 2 shows an embodiment in which the negative electrode chamber 15 and the positive electrode chamber 25 are close to each other, and FIG. 3 shows that at least a part of one chamber (eg, the negative electrode chamber 15) is another chamber (eg, the positive electrode chamber). One embodiment is shown in which the contents of the two chambers are separated by the electrolyte membrane 40 and other partitions, which are arranged in the chamber 25).

負極20に関し、電池10が所望の機能をするのであれば(例えば、放電および充電)、電池10はいかなる好適なナトリウム系負極20から成っていてもよい。ナトリウム系負極材料の好適な例としては、これに限定されないが、実質的に純粋なナトリウム、他の好適なナトリウム含有負極材料から成るナトリウムアロイ及びナトリウムインターカレーション材料が挙げられる。実際、ある実施態様において、負極は所定量の実質的に純粋なナトリウムを含むか、それのみから成る。他の実施態様において、負極はナトリウムインターカレーション材料を含むか、それのみから成る。   Regarding the negative electrode 20, the battery 10 may be composed of any suitable sodium-based negative electrode 20 as long as the battery 10 performs a desired function (for example, discharging and charging). Suitable examples of sodium-based negative electrode materials include, but are not limited to, sodium alloy and sodium intercalation materials consisting of substantially pure sodium, other suitable sodium-containing negative electrode materials. Indeed, in certain embodiments, the negative electrode comprises or consists solely of a predetermined amount of substantially pure sodium. In other embodiments, the negative electrode comprises or consists solely of a sodium intercalation material.

負極20がナトリウムインターカレーション材料から成る場合、インターカレーション材料は、電池10が放電中に負極中のナトリウム金属が酸化されてナトリウムイオン(Na)を形成し、電池が再充電中にナトリウムイオンが還元されてインターカレーション材料中に挿入されるような機能を有するいかなる好適な材料から成っていてもよい。ある実施態様において、インターカレーション材料は、また、電解質膜40(以下に説明する)の抵抗をほとんど増加させない材料から成る。換言すれば、ある実施態様において、インターカレーション材料は容易にナトリウムイオンを透過でき、ナトリウムイオンが負極室15から正極室25に(及びその逆も)透過する速度に悪影響を及ぼさない。 In the case where the negative electrode 20 is made of a sodium intercalation material, the intercalation material is formed by the sodium metal in the negative electrode being oxidized during the discharge of the battery 10 to form sodium ions (Na + ), and the sodium is being recharged while the battery is being recharged. It may be made of any suitable material that has the function of allowing ions to be reduced and inserted into the intercalation material. In some embodiments, the intercalation material is also composed of a material that does not substantially increase the resistance of the electrolyte membrane 40 (described below). In other words, in some embodiments, the intercalation material can easily penetrate sodium ions and does not adversely affect the rate at which sodium ions permeate from the negative electrode chamber 15 to the positive electrode chamber 25 (and vice versa).

ある実施態様において、負極20内のインターカレーション(挿入)材料が、炭素(例えば、グラファイト、メソ多孔性炭素、ホウ素がドープされたダイアモンド、炭素および/またはグラフェン)に挿入されたナトリウム金属(及び/又はナトリウム金属アロイ)から成る。それ故、ある実施態様の負極はナトリウム挿入炭素材料から成る。   In some embodiments, the intercalation material in the anode 20 is sodium metal (and, for example, graphite, mesoporous carbon, boron doped diamond, carbon and / or graphene) (and (Or sodium metal alloy). Thus, in some embodiments, the negative electrode comprises a sodium-inserted carbon material.

電池10を作動させる際(例えば放電および/または充電)、電池が所望の機能をするのであれば、ナトリウム系負極20の温度はいかなる好適な温度であってもよい。実際に、ある実施態様において(例えば、負極がナトリウム金属の実施態様)、電池の作動時に負極が溶融しているのであれば、電池はいかなる作動温度で機能させてもよい。実際に、電池が溶融負極から成るある実施態様において、電池の作動時(または作動温度)の負極の温度は、約100℃〜約155℃である。他の実施態様において、電池の作動温度は約110℃〜約150℃である。更に他の実施態様において、電池の作動温度は約115℃〜約125℃である。更に、電池の作動時に負極が溶融状態である他の実施態様において、電池の作動温度は、上述の作動温度のいかなる部分的な範囲(例えば、約120℃±2℃)内であってもよい。更に他の実施態様において、電池は、250℃未満の温度、200℃未満の温度、180℃未満の温度などのより高い温度で作動させてもよい。   When the battery 10 is operated (for example, discharging and / or charging), the temperature of the sodium-based negative electrode 20 may be any suitable temperature as long as the battery functions as desired. Indeed, in certain embodiments (eg, embodiments in which the negative electrode is sodium metal), the battery may function at any operating temperature provided that the negative electrode is molten during operation of the battery. Indeed, in certain embodiments where the battery comprises a molten negative electrode, the temperature of the negative electrode during battery operation (or operating temperature) is from about 100 ° C to about 155 ° C. In other embodiments, the operating temperature of the battery is from about 110 ° C to about 150 ° C. In yet another embodiment, the operating temperature of the battery is from about 115 ° C to about 125 ° C. Further, in other embodiments where the negative electrode is in a molten state during battery operation, the battery operating temperature may be within any partial range of the above operating temperatures (eg, about 120 ° C. ± 2 ° C.). . In still other embodiments, the battery may be operated at higher temperatures, such as temperatures below 250 ° C, temperatures below 200 ° C, temperatures below 180 ° C, and the like.

電池10が作動時に負極20が固体状に残っているような実施態様において(例えば、負極がナトリウム挿入炭素および/または固体ナトリウムアノードから成るような実施態様)において、電池が所望の機能をするのであれば、電池はいかなる作動温度で機能させてもよい。実際に、ある実施態様において、電池が作動時に負極が固体状の実施態様において、電池の作動温度は約−20℃〜約98℃である。他のそのような実施態様において、電池の作動温度は約18℃〜約65℃である。他のそのような実施態様において、電池の作動温度は約20℃〜約60℃である。他の実施態様において、電池の作動温度は約30℃〜約50℃である。他の実施態様において、電池が作動時に負極が固体状に残っているような場合、電池の作動温度は、上述の作動温度のいかなる部分的な範囲(例えば、約20℃±10℃)内であってもよい。   In embodiments where the negative electrode 20 remains in a solid state when the battery 10 is in operation (eg, embodiments in which the negative electrode comprises sodium intercalated carbon and / or a solid sodium anode), the battery performs the desired function. If present, the battery may function at any operating temperature. Indeed, in certain embodiments, the operating temperature of the battery is from about −20 ° C. to about 98 ° C. in embodiments where the negative electrode is solid when the battery is in operation. In other such embodiments, the operating temperature of the battery is from about 18 ° C to about 65 ° C. In other such embodiments, the operating temperature of the battery is from about 20 ° C to about 60 ° C. In other embodiments, the operating temperature of the battery is from about 30 ° C to about 50 ° C. In other embodiments, where the negative electrode remains solid when the battery is operating, the operating temperature of the battery is within any partial range of the aforementioned operating temperature (eg, about 20 ° C. ± 10 ° C.). There may be.

ある実施態様において(例えば、電池10が作動時に負極20が溶融している場合)、負極20は電解質膜40に直接接触(及び/又はウエット状態)しているが、他の実施態様(例えば、電池が作動時に負極が固体状に残っているような場合)において、負極は電解質膜に直接接触していない。実際に、図4で示すように、電池10が作動時に負極20が固体状に残っているようなある実施態様において、非水陽極液65は電解質膜40から負極20を分離する。ある実施態様において、非水陽極液はいかなる好適な機能を付与してもよく、これに限定されないが、負極の割れや電解質膜の損傷を防いだりするための負極と電解質膜との間の物理的な緩衝材の機能を提供してもよい。   In some embodiments (eg, when the negative electrode 20 is melted when the battery 10 is in operation), the negative electrode 20 is in direct contact (and / or wet) with the electrolyte membrane 40, while other embodiments (eg, In the case where the negative electrode remains in a solid state when the battery is activated), the negative electrode is not in direct contact with the electrolyte membrane. Indeed, as shown in FIG. 4, in some embodiments where the negative electrode 20 remains in a solid state when the battery 10 is in operation, the non-aqueous anolyte 65 separates the negative electrode 20 from the electrolyte membrane 40. In some embodiments, the non-aqueous anolyte may impart any suitable function, including but not limited to physical properties between the negative electrode and the electrolyte membrane to prevent negative electrode cracking and electrolyte membrane damage. A buffer material function may be provided.

電池10が非水陽極液65を有する場合、陽極液は、負極20及び電解質膜40に化学的に相溶性があり、負極から電解質膜(およびその逆も)にナトリウムイオンを十分に伝導させることが出来るような如何なる好適な化学物質から成っていてもよい。これに関し、好適な非水陽極液の例としては、これに限定されないが、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、一種以上の有機電解質、イオン性液体、非プロトン性極性有機溶媒、ポリシロキサン化合物、アセトニトリル系化合物など;酢酸エチル;及び/又は他の好適な非水液体および/またはゲルが挙げられる。好適な非水陽極液の更に詳しい記載は、米国特許出願公開第2011/0104526号明細書(2010年11月5日出願)に記載されており、参照により本発明で引用される。   When the battery 10 has a non-aqueous anolyte 65, the anolyte is chemically compatible with the negative electrode 20 and the electrolyte membrane 40 and sufficiently conducts sodium ions from the negative electrode to the electrolyte membrane (and vice versa). It may consist of any suitable chemical substance that can In this regard, examples of suitable non-aqueous anolytes include, but are not limited to, propylene carbonate, ethylene carbonate, one or more organic electrolytes, ionic liquids, aprotic polar organic solvents, polysiloxane compounds, acetonitrile compounds Ethyl acetate; and / or other suitable non-aqueous liquids and / or gels. A more detailed description of a suitable non-aqueous anolyte is described in US 2011/0104526 (filed Nov. 5, 2010), which is incorporated herein by reference.

ナトリウムイオン伝導性電解質膜40に関して説明すると、膜は、ナトリウムイオンを選択的に透過させることが出来、電池10を非水正極溶液35または水性正極溶液35と共に機能させることが出来ればいかなる好適な材料から成っていてもよい。ある実施態様において、電解質膜はNaSICON型(ナトリウム超イオン伝導(Super Ion CONductive))材料から成る。電解質膜がNaSICON型材料から成る場合、記載された電池10に好適に使用できるのであれば、NaSICON型材料はいかなる公知のまたは新規のNaSICON型材料から成っていてもよい。好適なNaSICON型組成の例としては、これに限定はされないが、NaZrSiPO12、Na1+xSiZr3−x12(xは約1.6〜約2.4)、Y−ドープNaSICON(Na1+x+yZr2−ySi3−x12、Na1+xZr2−ySi3−x12−y(x=2、y=0.12))、Na1+xZrSi3−x12(xは約0〜約3、また、ある場合では約2〜約2.5)及びFe−ドープNaSICON(NaZr2/3Fe4/312)が挙げられる。ある具体的な実施態様において、NaSICON型膜はNaSiZrPO12から成る。他の実施態様において、NaSICON型膜は、1つ以上のNaSELECT(登録商標、ユタ州ソルトレーク市のCeramatec,Inc.社製)材料から成る。更に他の実施態様において、NaSICON型膜は、公知または新規の複合材、例えばサーメット担持NaSICON膜から成る。このような実施態様において、複合NaSICON膜はいかなる好適な構成要素を含むことが出来、これに限定されないが、NiO/NaSICON又は他の好適なサーメット層から成る多孔質NaSICON−サーメット層と緻密NaSICONとから成る。更に他の実施態様において、NaSICON膜は単斜晶系セラミックから成る。 Referring to the sodium ion conducting electrolyte membrane 40, the membrane can selectively permeate sodium ions and any suitable material that allows the battery 10 to function with the non-aqueous cathode solution 35 or the aqueous cathode solution 35. May consist of: In one embodiment, the electrolyte membrane comprises a NaSICON type (Super Ion CONductive) material. If the electrolyte membrane is made of a NaSICON type material, the NaSICON type material may be made of any known or novel NaSICON type material, as long as it can be suitably used in the described battery 10. Examples of suitable NaSICON type composition, but are not limited to, Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12, Na 1 + x Si x Zr 2 P 3-x O 12 (x is from about 1.6 to about 2.4 ), Y- doped NaSICON (Na 1 + x + y Zr-2 y Y y Si x P 3-x O 12, Na 1 + x Zr 2-y Y y Si x P 3-x O 12-y (x = 2, y = 0 .12)), Na 1 + x Zr 2 Si x P 3-x O 12 (x is about 0 to about 3, and in some cases about 2 to about 2.5) and Fe-doped NaSICON (Na 3 Zr 2 / 3 Fe 4/3 P 3 O 12) can be mentioned. In one specific embodiment, the NaSICON-type film consists of Na 3 Si 2 Zr 2 PO 12 . In another embodiment, the NaSICON-type membrane is composed of one or more NaSELECT (registered trademark, manufactured by Ceramatec, Inc., Salt Lake City, Utah) material. In yet another embodiment, the NaSICON type membrane comprises a known or novel composite material, such as a cermet-supported NaSICON membrane. In such embodiments, the composite NaSICON membrane can include any suitable component, including, but not limited to, a porous NaSICON-cermet layer composed of NiO / NaSICON or other suitable cermet layer and a dense NaSICON Consists of. In yet another embodiment, the NaSICON film comprises a monoclinic ceramic.

ある実施態様において(図5A及び5Bに示すように)、電解質膜40は、比較的薄く緻密なNaSICON型材料の層75を支持する第1の多孔性支持体70(例えば、比較的厚く多孔性のNaSICON型材料)から成る。そのような実施態様において、第1の多孔性支持体は、緻密層の足場として作用する等のいかなる好適な機能を遂行してもよい。その結果、電解質膜のある実施において、上述の比較的低い作動温度における極性抵抗によるロスを最小限とすることが出来る。更に、ある実施態様において、多孔質骨格および緻密NaSICON型層の両方を有することにより、電解質膜は比較的高い機械的強度(例えば、電池に圧力がかかったり、作動すること等による電池10内の圧力の変動に耐えうるような)を有することが出来る。   In some embodiments (as shown in FIGS. 5A and 5B), the electrolyte membrane 40 includes a first porous support 70 (eg, relatively thick and porous) that supports a layer 75 of relatively thin and dense NaSICON-type material. NaSICON type material). In such embodiments, the first porous support may perform any suitable function, such as acting as a scaffold for the dense layer. As a result, in certain implementations of the electrolyte membrane, losses due to polar resistance at the relatively low operating temperatures described above can be minimized. Further, in some embodiments, having both a porous skeleton and a dense NaSICON type layer allows the electrolyte membrane to have a relatively high mechanical strength (eg, within the battery 10 due to pressure on, operating, etc. the battery). Can withstand fluctuations in pressure).

多孔質支持層70はいかなる好適な厚さであってもよい。ある実施態様において、その厚みは約50μm〜約1250μmである。また、他の実施態様において、多孔質支持層の厚みは約500μm〜約1000μmである。更に他の実施態様において、多孔質支持層の厚みは約700μm〜約980μmである。また、更に他の実施態様において、多孔質支持層の厚みは上記の範囲内の更に好ましい範囲である(例えば、約740μm〜約960μm)。   The porous support layer 70 may have any suitable thickness. In certain embodiments, the thickness is from about 50 μm to about 1250 μm. In another embodiment, the porous support layer has a thickness of about 500 μm to about 1000 μm. In yet another embodiment, the porous support layer has a thickness of about 700 μm to about 980 μm. In yet another embodiment, the thickness of the porous support layer is a more preferred range within the above range (eg, from about 740 μm to about 960 μm).

支持層70上の緻密層75は、電池10が所望の通り機能するのであればいかなる好適な厚さであってもよい。実際には、ある実施態様において、緻密層(例えば、NaSICON型材料の緻密層)の厚みは約20μm〜約400μmである。他の実施態様において、緻密層の厚みは約45μm〜約260μmである。更に他の実施態様において、緻密層の厚みは、上記の範囲内の更に好ましい範囲である(例えば、約50μm±10μm)。   The dense layer 75 on the support layer 70 may be any suitable thickness as long as the battery 10 functions as desired. Indeed, in certain embodiments, the thickness of the dense layer (eg, a dense layer of NaSICON type material) is from about 20 μm to about 400 μm. In other embodiments, the dense layer has a thickness of about 45 μm to about 260 μm. In yet another embodiment, the dense layer has a more preferred range of thickness within the above range (eg, about 50 μm ± 10 μm).

電解質膜40は、電池10が所望の機能を有するのであれば、いかなる好適なナトリウム伝導性を有していてもよい。実際に、ある実施態様において(例えば、電解質膜がNaSELECT(登録商標)または他の好適なNaSICON型材料から成る場合)、電解質膜は、約4×10−3S/cm−1〜約20×10−3S/cm−1(又はその部分的な範囲)の伝導度を有する。 The electrolyte membrane 40 may have any suitable sodium conductivity as long as the battery 10 has a desired function. Indeed, in certain embodiments (eg, when the electrolyte membrane is comprised of NaSELECT® or other suitable NaSICON-type material), the electrolyte membrane is about 4 × 10 −3 S / cm −1 to about 20 ×. It has a conductivity of 10 −3 S / cm −1 (or a partial range thereof).

電解質膜40がNaSICON型材料から成る場合、NaSICON型材料は電池10に幾つかの有利な性能をもたらす。その1つとしては、NaSICON型材料は、ナトリウムβ’’−アルミナセラミック電解質膜と対照的に実質的に水に不透過で、安定であるため、NaSICON型材料は、電池がナトリウム負極20と相溶性の無い水性正極溶液などの正極溶液35を含むことを可能にする。それ故、電解質膜としてNaSICON型膜を使用することは、電池を構成する化学物質に広い自由度を与える。NaSICON型膜の使用に関する他の有利な性能は、そのような膜がナトリウムイオンを選択的に移送しながら負極20及び正極溶液35が混合することを防ぐため、そのような膜は、最小の容量損失および常温において比較的安定な電池保存期間を有することを可能にする。実際に、あるNaSICON型材料(例えば、NaSELECT(登録商標)膜)は、その材料の有する固体−固体の永続的な選択制によって、自己放電、交差および/または関係する非効率性を排除できる。   If the electrolyte membrane 40 is made of a NaSICON type material, the NaSICON type material provides the battery 10 with some advantageous performance. For one, the NaSICON type material is substantially impermeable to water and stable, as opposed to the sodium β ″ -alumina ceramic electrolyte membrane, so the NaSICON type material is compatible with the sodium anode 20. It is possible to include a cathode solution 35 such as an insoluble aqueous cathode solution. Therefore, the use of a NaSICON type membrane as the electrolyte membrane gives the chemical substances that make up the battery a wide degree of freedom. Another advantageous performance related to the use of NaSICON type membranes is that such membranes have minimal capacity because they prevent the negative electrode 20 and positive electrode solution 35 from mixing while selectively transporting sodium ions. It makes it possible to have a battery storage period that is relatively stable at loss and at room temperature. Indeed, certain NaSICON-type materials (eg, NaSELECT® membranes) can eliminate self-discharge, crossover and / or related inefficiencies due to the permanent solid-solid selection of the material.

集電体30に関して説明すると、電池10は、電池が所望の通り充電および放電できるのであればいかなる好適な集電体から成っていてもよい。例えば、集電体は、ナトリウム系再充電可能電池システムに好適に使用できるのであれば、実質的にいかなる集電体形状から成っていてもよい。ある実施態様において、集電体は1つ以上のワイヤー、フェルト、プレート、平行板、チューブ、メッシュ、メッシュスクリーン、発泡体(例えば、金属発泡体、カーボン発泡体など)及び/又は他の好適な集電体形状から成る。実際に、ある実施態様において、集電体は比較的広い表面積を有する形状(例えば、一つ以上のメッシュスクリーン、金属発泡体など)から成る。   Referring to current collector 30, battery 10 may comprise any suitable current collector as long as the battery can be charged and discharged as desired. For example, the current collector may consist of substantially any current collector shape as long as it can be suitably used in a sodium-based rechargeable battery system. In certain embodiments, the current collector is one or more wires, felts, plates, parallel plates, tubes, meshes, mesh screens, foams (eg, metal foams, carbon foams, etc.) and / or other suitable Consists of current collector shape. Indeed, in certain embodiments, the current collector comprises a shape having a relatively large surface area (eg, one or more mesh screens, metal foam, etc.).

集電体20は、電池10が所望の通り機能するのであればいかなる好適な材料から成っていてもよい。これに関し、好適な集電体材料の例としては、これに限定されないが、炭素、白金、銅、ニッケル、亜鉛、ナトリウムインターカレーション材料(例えば、NaMnO等)、ニッケル発泡体、ニッケル、硫黄複合体、ハロゲン化硫黄(例えば、塩化硫黄など)及び/又は他の好適な材料が挙げられる。更に、これらの材料は単独でも組合せて使用してもよい。ある実施態様において、集電体は炭素、白金、銅、ニッケル、亜鉛および/またはナトリウムインターカレーション材料(例えば、NaMnO)から成る。 The current collector 20 may be made of any suitable material as long as the battery 10 functions as desired. In this regard, examples of suitable current collector materials include, but are not limited to, carbon, platinum, copper, nickel, zinc, sodium intercalation materials (eg, Na x MnO 2 etc.), nickel foam, nickel , Sulfur complexes, sulfur halides (eg, sulfur chloride, etc.) and / or other suitable materials. Furthermore, these materials may be used alone or in combination. In certain embodiments, the current collector comprises carbon, platinum, copper, nickel, zinc and / or sodium intercalation material (eg, Na x MnO 2 ).

集電体30は、電池10が所望の通り機能するのであれば、正極室25内のいかなる好適な場所に配置されてもよい。ある実施態様において、集電体は、電解質膜40上に配置されるか(例えば、図3に示すように)、電解質膜40に近接近させて配置される(例えば、図6に示すように)。   The current collector 30 may be disposed at any suitable location in the positive electrode chamber 25 as long as the battery 10 functions as desired. In some embodiments, the current collector is disposed on the electrolyte membrane 40 (eg, as shown in FIG. 3) or in close proximity to the electrolyte membrane 40 (eg, as shown in FIG. 6). ).

正極溶液35に関して説明すると、溶液は、電池10が所望の通り機能するのであれば、いかなる好適なナトリウムイオン伝導性から成っていてもよい。実際に、ある実施態様において、正極溶液は水性または非水溶液から成る。これに関し、好適な水溶液の例としては、これに限定されないが、ジメチルスルホキシド(DMSO)、水、ホルムアミド、NMF、水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液、イオン性水溶液、および/または、ナトリウムイオン及び電解質膜40に化学的に相溶性を有する他の水溶液から成る。実際に、ある実施態様において、正極電解質溶液はDMSO及び/又はホルムアミドから成る。   Referring to the cathode solution 35, the solution may be composed of any suitable sodium ion conductivity so long as the battery 10 functions as desired. Indeed, in certain embodiments, the positive electrode solution consists of an aqueous or non-aqueous solution. In this regard, examples of suitable aqueous solutions include, but are not limited to, dimethyl sulfoxide (DMSO), water, formamide, NMF, sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution, ionic aqueous solution, and / or sodium ion and electrolyte membrane. 40 is composed of other aqueous solutions that are chemically compatible. Indeed, in certain embodiments, the cathode electrolyte solution comprises DMSO and / or formamide.

ある実施態様において、正極溶液35は非水溶媒から成る。そのような実施態様において、正極溶液は電池10が所望の通り機能するのであれば、いかなる好適な非水溶媒から成っていてもよい。そのような非水溶媒の例としては、グリセロール、エチレン、プロピレン、及び/又は、ナトリウムイオンおよび電解質膜40と化学的に相溶性を有する他の非水溶液が上げられる。   In some embodiments, the positive electrode solution 35 comprises a non-aqueous solvent. In such embodiments, the positive electrode solution may consist of any suitable non-aqueous solvent as long as the battery 10 functions as desired. Examples of such non-aqueous solvents include glycerol, ethylene, propylene, and / or other non-aqueous solutions that are chemically compatible with sodium ions and electrolyte membrane 40.

ある実施態様において(例えば、図6に示すような溶融ナトリウム負極20及びナトリウム挿入集電体30(例えば、NaMnO)から成る実施態様)、正極溶液35は溶融ナトリウム−FSA(ナトリウム−ビス(フルオロスルホニル)アミド)電解質から成る。実際に、Na−FSAは融点が約107℃であり(Na−FSAは電池10のある代表的な作動温度において溶融している)、Na−FSAは約50−100mS/cmの範囲の伝導性を有するため、ある実施態様において、Na−FSAは、有益な溶媒(例えば、溶融ナトリウムハロゲン化合物(NaX、XはBr、I、Cl等から選択される)のための)として機能する。これに関し、Na−FSAは以下の構造を有する。 In some embodiments (eg, an embodiment comprising a molten sodium negative electrode 20 and a sodium intercalating current collector 30 (eg, Na x MnO 2 ) as shown in FIG. 6), the positive electrode solution 35 is molten sodium-FSA (sodium-bis (Fluorosulfonyl) amide) electrolyte. In fact, Na-FSA has a melting point of about 107 ° C. (Na-FSA is melted at some typical operating temperature of battery 10) and Na-FSA has a conductivity in the range of about 50-100 mS / cm 2. In certain embodiments, Na-FSA functions as a beneficial solvent (eg, for a molten sodium halide (NaX, X is selected from Br, I, Cl, etc.)). In this regard, Na-FSA has the following structure:

正極溶液35がNa−FSAから成る場合、溶液は、電解質膜におよび電解質膜からナトリウムイオンを伝導でき、電池10が所望に機能するのであれば、いかなる好適なフルオロスルホニルアミドから成っていてもよい。フルオロスルホニルアミドの好適な例としては、これに限定されないが、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム−(ビス(フルオロスルホニル)アミド(“[EMIM][FSA]”)及び他の類似の化合物が挙げられる。   When the positive electrode solution 35 consists of Na-FSA, the solution may consist of any suitable fluorosulfonylamide as long as it can conduct sodium ions to and from the electrolyte membrane and the battery 10 functions as desired. . Suitable examples of fluorosulfonylamides include, but are not limited to, 1-ethyl-3-methylimidazolium- (bis (fluorosulfonyl) amide (“[EMIM] [FSA]”) and other similar compounds. Can be mentioned.

ある実施態様において、正極溶液35はまた1つ以上のハロゲン及び/又はハロゲン化合物から成る。これに関し、ハロゲン及びハロゲン化合物、更にはそれから形成されるポリハロゲン化合物および/または金属ハロゲン化合物(例えば、集電体30が銅、ニッケル、亜鉛などの金属から成る場合(以下に記載するが))は、好適な機能を有し、これに限定されないが、例えば電池10が作動している際に正極として働く。好適なハロゲンの例としては、臭素、ヨウ素および塩素が挙げられる。同様に、ハロゲン化合物の好適な例としては、臭化物イオン、ポリ臭化物イオン、ヨウ化物イオン、ポリヨウ化物イオン、塩化物イオン及びポリ塩化物イオンが挙げられる。ハロゲン/ハロゲン化合物は、正極溶液中にいかなる好適な方法によって導入されてもよく、ある実施態様において、それらはNaX(XはBr、I、Cl等から選択される)として添加される。   In certain embodiments, the cathode solution 35 also consists of one or more halogens and / or halogen compounds. In this regard, halogens and halogen compounds, as well as polyhalogen compounds and / or metal halide compounds formed therefrom (for example, when current collector 30 is made of a metal such as copper, nickel, zinc, etc. (described below)). Has a suitable function and is not limited to this, but, for example, acts as a positive electrode when the battery 10 is operating. Examples of suitable halogens include bromine, iodine and chlorine. Similarly, suitable examples of halogen compounds include bromide ions, polybromide ions, iodide ions, polyiodide ions, chloride ions and polychloride ions. The halogen / halogen compounds may be introduced into the cathode solution by any suitable method, and in certain embodiments they are added as NaX (X is selected from Br, I, Cl, etc.).

ある実施態様において、正極溶液35はハロゲン(X)(例えば、臭素またはヨウ素)及び/又はハロゲン化合物から成り、電池は、電池の作動中の負極20、正極/集電体30及び全体の反応として、以下の反応を有する。
負極:Na←→Na+1e
正極:2X+2e←→X
全体として:2Na+X←→2Na+2X
従って、Xがヨウ素である場合、電池10は、以下に示す化学反応および理論電圧(V)並びに理論比エネルギー(Wh/kg)を有する。
負極:Na←→Na+1e(−2.71V)
正極:2I+2e←→I(0.52V)
全体として:2Na+I←→2Na+2I(3.23V)(581Wh/kg)
更に、Xが臭素である場合、電池は、以下に示す化学反応および理論電圧ならびに理論比エネルギーを有する。
負極:Na←→Na+1e(−2.71V)
正極:2Br+2e←→Br(1.08V)
全体として:2Na+Br←→2Na+2Br(3.79V)(987Wh/kg)
In certain embodiments, the positive electrode solution 35 comprises halogen (X) (eg, bromine or iodine) and / or a halogen compound, and the battery is a negative reaction of the negative electrode 20, the positive electrode / current collector 30, and the overall reaction during battery operation. Have the following reactions.
Negative electrode: Na ← → Na + + 1e
Positive electrode: 2X + 2e ← → X 2
Overall: 2Na + X 2 ← → 2Na + + 2X
Therefore, when X is iodine, the battery 10 has the following chemical reaction, theoretical voltage (V), and theoretical specific energy (Wh / kg).
Negative electrode: Na ← → Na + + 1e (−2.71 V)
Positive electrode: 2I + 2e ← → I 2 (0.52V)
Overall: 2Na + I 2 ← → 2Na + + 2I (3.23 V) (581 Wh / kg)
Further, when X is bromine, the battery has the following chemical reaction and theoretical voltage and theoretical specific energy.
Negative electrode: Na ← → Na + + 1e (−2.71 V)
Positive electrode: 2Br + 2e ← → Br 2 (1.08 V)
Overall: 2Na + Br 2 ← → 2Na + + 2Br (3.79 V) (987 Wh / kg)

正極溶液35中の種々の構成要素は、電池10が所望の通り機能するのであれば、いかなる好適な濃度で存在させてもよい。   The various components in the cathode solution 35 may be present in any suitable concentration as long as the battery 10 functions as desired.

ある実施態様において、ハロゲン(例えば、臭素、ヨウ素または塩素)は電池10において作動中(例えば、充電)に形成される。これに関し、ハロゲンは、電池が作動時において幾つかの影響を及ぼす。ある例において、正極溶液35中に生成されるハロゲンは、比較的高い蒸気圧を有し、電池を好ましくない圧力に曝すことになる。他の例において、正極溶液中のハロゲンは、他の溶液中の化学物質と反応して好ましくない化学物質を生成する(例えば、HOX及び/又はHXで、正極溶液は水性で、XはBr、I等から選択される)。ある実施態様において、正極溶液中に生成するハロゲンに関する問題を低減および/または防ぐために、正極溶液中に存在するハロゲン分子(例えば、臭素、ヨウ素など)の総量を低減するべく電池を改変する。ある実施態様において、電池が正極溶液中に存在するハロゲン量を制御するように作動できるように改変する。 In some embodiments, a halogen (eg, bromine, iodine or chlorine) is formed during operation (eg, charging) in battery 10. In this regard, halogen has several effects when the battery is in operation. In one example, the halogen produced in the cathode solution 35 has a relatively high vapor pressure, exposing the battery to undesirable pressures. In other examples, halogens in the cathode solution react with chemicals in other solutions to produce undesirable chemicals (eg, HOX and / or HX, the cathode solution is aqueous, X is Br, I etc.). In certain embodiments, the battery is modified to reduce the total amount of halogen molecules (eg, bromine, iodine, etc.) present in the positive electrode solution in order to reduce and / or prevent problems with the halogens generated in the positive electrode solution. In some embodiments, the battery is modified to operate to control the amount of halogen present in the cathode solution.

ある実施態様において、正極溶液35中のハロゲンの量を減少させるために、溶液は過剰の量のナトリウムハロゲン化合物(例えば、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、塩化ナトリウム等)及び/又は過剰の量のハロゲン分子(例えば、臭素、ヨウ素、塩素など)から成る。そのような実施態様において、正極溶液は、1つ以上のポリハロゲン化合物(例えば、Br 、I 、Cl 等)を正極溶液35中に形成する(図2示す。XはBr、I又はClを表す)ような好適な量のナトリウムハロゲン化合物および/またはハロゲン分子から成る。そのような実施態様においてポリハロゲン化合物は、対応するハロゲンよりもより低い蒸気圧を有しながら、対応するハロゲンと同じような電子的活性を有する。 In certain embodiments, to reduce the amount of halogen in the cathode solution 35, the solution may include an excess amount of sodium halogen compound (eg, sodium bromide, sodium iodide, sodium chloride, etc.) and / or an excess amount. Consists of halogen molecules (for example, bromine, iodine, chlorine, etc.). In such embodiments, the positive electrode solution forms one or more polyhalogen compounds (eg, Br 3 , I 3 , Cl 3 −, etc.) in the positive electrode solution 35 (shown in FIG. 2, where X is Br). A suitable amount of sodium halogen compounds and / or halogen molecules . In such embodiments, the polyhalogen compound has an electronic activity similar to the corresponding halogen while having a lower vapor pressure than the corresponding halogen.

ある実施態様において、正極溶液35中のハロゲンの量が減少するため、正極溶液は、正極溶液中にハロゲン、ハロゲン化合物および/またはポリハロゲン化合物との付加物(例えば、ハロゲン化合物−アミン付加物、ハロゲン化合物−アンモニア付加物など)を形成するような錯体形成能または他の性能を有する1つ以上の錯化剤を含む。これに関し、錯化剤は、正極溶液中でハロゲン、ハロゲン化合物および/またはポリハロゲン化合物との付加物および/または錯体を形成できる化学物質から成る。そのような錯化剤の例としては、これに限定されないが、1つ以上の臭化物−アミン付加物、ヨウ化物−アミン付加物、塩化物−アミン付加物、テトラメチルアンモニウムハロゲン化合物(例えば、臭化テトラメチルアンモニウム、ヨウ化テトラメチルアンモニウム、塩化テトラメチルアンモニウム等)、アンモニウム化合物、N−メチル−N−メチルモルフォリンハロゲン化合物などが挙げられる。実際に、ある実施態様において、正極溶液はNaBr/Brから成り、錯化剤は臭化テトラメチルアンモニウムから成り、臭素と反応してテトラメチルアンモニウム三臭化物を形成する。他のある実施態様(例えば、図4に示すような、負極室15が非水陽極液65を含み、正極溶液35がNaBr/Brから成り、集電体30が炭素から成る実施態様)において、錯化剤は、臭化N−メチル−N−メチルモルフォリンから成る。 In some embodiments, the amount of halogen in the cathode solution 35 is reduced so that the cathode solution is adducted with halogens, halogen compounds and / or polyhalogen compounds in the cathode solution (eg, halogen compound-amine adduct, One or more complexing agents having the ability to form a complex or other performance such as a halogen compound-ammonia adduct. In this regard, complexing agents consist of chemicals that can form adducts and / or complexes with halogens, halogen compounds and / or polyhalogen compounds in the cathode solution. Examples of such complexing agents include, but are not limited to, one or more bromide-amine adducts, iodide-amine adducts, chloride-amine adducts, tetramethylammonium halogen compounds (eg, odor Tetramethylammonium iodide, tetramethylammonium iodide, tetramethylammonium chloride, etc.), ammonium compounds, N-methyl-N-methylmorpholine halogen compounds, and the like. Indeed, in certain embodiments, the positive electrode solution consists of NaBr / Br 2 and the complexing agent consists of tetramethylammonium bromide and reacts with bromine to form tetramethylammonium tribromide. In some other embodiments (for example, as shown in FIG. 4, the anode chamber 15 includes a non-aqueous anolyte 65, the cathode solution 35 comprises NaBr / Br 2 , and the current collector 30 comprises carbon). The complexing agent consists of N-methyl-N-methylmorpholine bromide.

ある実施態様において、正極溶液35中で生成するハロゲンの量を低減するために、電池10、集電体に使用される金属と溶液中のハロゲン化合物イオンとに基づいて金属ハロゲン化合物が形成されるような金属集電体30を使用することによって、ハロゲン(例えば、臭素、ヨウ素、塩素など)の発生を回避する。そのようなプロセスはいかなる好適な方法で行われてもよいが、ある実施態様において、正極溶液中のハロゲン化合物イオンが酸化されて対応するハロゲンを形成する前に集電体中の金属が酸化される方法による。それ故、その結果、不揮発性金属ハロゲン化合物(例えば、CuBr、NiBr、ZnBr、CuI、NiI、ZnI等)が形成される。これに関し、集電体は、電池が作動中に金属ハロゲン化合物を形成することによってハロゲンの発生を避けることが出来る様ないかなる好適な金属から成っていてもよい。そのような金属の例としては、銅、ニッケル、亜鉛、それらの組合せ及びそれらのアロイが挙げられる。これに関し、そのような金属集電体から成る電池の対応する半電池反応の例を以下に示す。
Cu+X←→CuX+1e
Ni+2X←→NiX+2e
Zn+2X←→ZnX+2e
更に、ニッケル集電体30を有するNaBr/Br電池10の電池の総反応の一例は以下の反応式で表される。
2Na+NiBr←→2NaBr+Ni
In one embodiment, to reduce the amount of halogen produced in the positive electrode solution 35, a metal halide is formed based on the metal used in the battery 10, current collector and the halide ion in the solution. By using such a metal current collector 30, generation of halogen (for example, bromine, iodine, chlorine, etc.) is avoided. Such a process may be performed in any suitable manner, but in certain embodiments, the metal in the current collector is oxidized before the halide ion in the cathode solution is oxidized to form the corresponding halogen. It depends on the method. Thus, a result, the non-volatile metal halogen compounds (e.g., CuBr, NiBr 2, ZnBr 2 , CuI, NiI 2, ZnI 2 or the like) is formed. In this regard, the current collector may be composed of any suitable metal such that halogen generation can be avoided by forming a metal halide during the operation of the battery. Examples of such metals include copper, nickel, zinc, combinations thereof and alloys thereof. In this regard, an example of the corresponding half-cell reaction of a battery comprising such a metal current collector is given below.
Cu + X ← → CuX + 1e
Ni + 2X ← → NiX 2 + 2e
Zn + 2X ← → ZnX 2 + 2e
Furthermore, an example of the total reaction of the NaBr / Br 2 battery 10 having the nickel current collector 30 is represented by the following reaction formula.
2Na + NiBr 2 ← → 2NaBr + Ni

金属集電体30を有する電池は種々の幅広い起電力を有し、電池10は正極溶液35中にNaBr/Brを含み、集電体は銅、ニッケル又は亜鉛から成るような場合では、そのような電池から生じる起電力は、それぞれ約2.57V、約2.61V及び約2Vとなる。 A battery having a metal current collector 30 has a wide variety of electromotive forces, the battery 10 includes NaBr / Br 2 in the positive electrode solution 35, and in the case where the current collector is made of copper, nickel or zinc, The electromotive forces generated from such batteries are about 2.57V, about 2.61V, and about 2V, respectively.

更に他の実施態様において、正極室25中のハロゲン(例えば、臭素、ヨウ素など)の総量を減少させるために、電池10は、上述のいかなる好適な組合せを使って改変してもよい。これに限定されないが、電池のある実施態様において、電池は銅、ニッケル、亜鉛または他の好適な金属から成る集電体30を含み、正極溶液35は、錯化剤、過剰量のナトリウムハロゲン化合物および/または過剰量のハロゲン分子含む。 In still other embodiments, the battery 10 may be modified using any suitable combination described above to reduce the total amount of halogen (eg, bromine, iodine, etc.) in the positive electrode chamber 25. In some embodiments of the battery, including but not limited to, the battery includes a current collector 30 comprised of copper, nickel, zinc or other suitable metal, and the cathode solution 35 comprises a complexing agent, an excess amount of sodium halide. And / or an excess of halogen molecules .

端子45及び50を参照すると、電池10は、外部回路(図示せず)と電池が電気的に接続できるのであれば、いかなる好適な端子を有していてもよい。外部回路としては、これに限定されないが、1つ以上の電池も含む。これに関し、端子はいかなる好適な材料、形状、大きさから成っていてもよい。   Referring to terminals 45 and 50, battery 10 may have any suitable terminal as long as the battery can be electrically connected to an external circuit (not shown). External circuits include but are not limited to one or more batteries. In this regard, the terminals may be made of any suitable material, shape, and size.

図1A及び図2Aを参照すると、電池10の更なる実施態様が示されている。図1A及び図2Aはそれぞれ図1及び図2に示される実施態様に類似しているが、図1A及び図2Aは更なる構成要素を有する(図1Aは電池10の放電状態を示し、図2A電池10の充電状態を示す)。具体的に、図1A及び図2Aは、それぞれ、ナトリウム−ハロゲン二次電池10が、ナトリウム系負極20を含む負極室15、液体正極溶液35中に配置される集電体30を含む正極室25、正極溶液から負極を分離するナトリウムイオン伝導性電解質膜40、第1の端子45第2の端子50、正極溶液を収納する外部リザーバー55及び正極溶液をリザーバーから正極室中の集電体を通過させるように押し進めるように構成されたポンプ機構60から成る売位の実施態様を示す。   Referring to FIGS. 1A and 2A, a further embodiment of battery 10 is shown. 1A and 2A are similar to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, respectively, but FIGS. 1A and 2A have additional components (FIG. 1A shows the discharge state of battery 10 and FIG. Indicates the state of charge of the battery 10). Specifically, FIG. 1A and FIG. 2A show that a sodium-halogen secondary battery 10 includes a negative electrode chamber 15 including a sodium-based negative electrode 20 and a positive electrode chamber 25 including a current collector 30 disposed in a liquid positive electrode solution 35, respectively. The sodium ion conductive electrolyte membrane 40 for separating the negative electrode from the positive electrode solution, the first terminal 45, the second terminal 50, the external reservoir 55 for storing the positive electrode solution, and the positive electrode solution from the reservoir through the current collector in the positive electrode chamber FIG. 9 shows a selling embodiment comprising a pump mechanism 60 configured to be pushed forward.

ポンプ機構60について説明すると、電池10は、リザーバー55から電池内に流すように流体を押し進めることが出来るのであれば、いかなる好適なポンプ機構を有していてもよい。実際に、図7Aは、電池10が第1のリザーバー55及び正極溶液35をリザーバーから正極室25内の集電体30に通じさせるポンプのように構成されているポンプ機構60と接続している実施態様を示す。ある実施態様において(図7Aにも示されているが)、電池10は、更に第2のリザーバー56及び第2のポンプ機構62にも接続されている。そのような実施態様において、第2のポンプ機構は、第2のリザーバー56から液体(例えば、溶融ナトリウム、非水陽極液65、第2の陽極液など)を押し出し、負極室15を通じて流すことが出来ればいかなる好適なポンプから成っていてもよい。負極室に通じ流体を押し出すポンプ機構は、電池に種々の有利な性能を付与するが、ある実施態様において、そのような構成はどんな場合でも負極室中のナトリウムの総量を減少でき、それにより、もし正極溶液35が負極20と接触した際のダメージ及び/又は危険性を低減できる。更に、ある実施態様において、正極室に通じる正極溶液をポンプで押し出すことにより、電池は電池中の正極溶液の量を制限でき、それにより、電池中に存在するハロゲンの量を制限または制御することが出来る。   The pump mechanism 60 will be described. The battery 10 may have any suitable pump mechanism as long as the fluid can be pushed from the reservoir 55 to flow into the battery. In fact, in FIG. 7A, the battery 10 is connected to a pump mechanism 60 configured as a pump that allows the first reservoir 55 and the positive electrode solution 35 to pass from the reservoir to the current collector 30 in the positive electrode chamber 25. An embodiment is shown. In some embodiments (also shown in FIG. 7A), the battery 10 is further connected to a second reservoir 56 and a second pump mechanism 62. In such an embodiment, the second pump mechanism pushes liquid (eg, molten sodium, non-aqueous anolyte 65, second anolyte, etc.) from the second reservoir 56 and flows through the negative electrode chamber 15. If possible, it may consist of any suitable pump. Although the pump mechanism that pushes fluid through the negative electrode chamber provides various advantageous performances to the battery, in certain embodiments, such a configuration can in any case reduce the total amount of sodium in the negative electrode chamber, thereby providing: If the positive electrode solution 35 comes into contact with the negative electrode 20, damage and / or danger can be reduced. Further, in certain embodiments, the battery can limit the amount of positive electrode solution in the battery by pumping out the positive electrode solution leading to the positive electrode chamber, thereby limiting or controlling the amount of halogen present in the battery. I can do it.

電池10が1つ以上のポンプ機構(例えば、60及び62)及び/又はリザーバー(例えば、55及び56)と連結している場合、ポンプ機構は電池(例えば、正極室25及び/又は負極室15)に、電池が所望の機能をするような如何なる好適な流量で通液できるように設計される。これに関し、電池の種々の実施態様の具体的な流量は、正極溶液35中の種々の物質の溶解性、負極室15の物質および/または電池の所望の充電速度および/または放電速度による。   When the battery 10 is coupled to one or more pump mechanisms (eg, 60 and 62) and / or reservoirs (eg, 55 and 56), the pump mechanism is connected to the batteries (eg, the positive electrode chamber 25 and / or the negative electrode chamber 15). The battery is designed to be able to pass at any suitable flow rate so that the battery performs the desired function. In this regard, the specific flow rates of the various embodiments of the battery depend on the solubility of the various materials in the positive electrode solution 35, the material of the negative electrode chamber 15 and / or the desired charge and / or discharge rate of the battery.

ポンプ機構(例えば、60及び62)及び/又はリザーバー(例えば、55及び56)は、図1A、2A及び7Aに示される実施態様に加えて、他の実施態様においても加えられてもよい。例えば、図4Aは、図4に関連して記載された類似の電池10の1実施態様を示す。しかしながら、図4Aの実施態様において、電極30と接触している正極溶液35を送るポンプ機構60及びリザーバー55が電池10に追加されている。同様に、図6Aに関しては、この電池10は図6に示される電池と類似であるが、電極30と接触している正極溶液35を送るポンプ機構60及びリザーバー55が電池10に追加されている。更に、図7Aの実施態様においては、1つ以上のポンプ機構60、62及び/又は1つ以上のリザーバー55、56が除去されるように構成されていてもよい。   Pump mechanisms (eg, 60 and 62) and / or reservoirs (eg, 55 and 56) may be added in other embodiments in addition to the embodiment shown in FIGS. 1A, 2A, and 7A. For example, FIG. 4A shows one embodiment of a similar battery 10 described in connection with FIG. However, in the embodiment of FIG. 4A, a pump mechanism 60 and reservoir 55 are added to the battery 10 to deliver the positive electrode solution 35 in contact with the electrode 30. Similarly, with respect to FIG. 6A, the battery 10 is similar to the battery shown in FIG. 6, but a pump mechanism 60 and a reservoir 55 are added to the battery 10 to deliver the cathode solution 35 in contact with the electrode 30. . Further, in the embodiment of FIG. 7A, one or more pump mechanisms 60, 62 and / or one or more reservoirs 55, 56 may be configured to be removed.

他の実施態様において、負極室15及び正極室25は如何なる好適な寸法を取ることが出来るが、図1A、2A、3A及び4A、6A及び7Aが示すように、少なくともある実施態様において、正極溶液35のかなりの部分が正極室の外部に貯蔵されるように(例えば、正極溶液の一部を貯蔵できるように設計されている1つ以上の外部リザーバー55)、正極室25は相対的に小さい。そのような構成は、電池10に機能の多様性を付与できる。ある実施態様において、相対的に小さな正極室を有することにより、電池は、正極室内の正極溶液を比較的少量とすることが出来、それにより、正極室内の正極溶液の大部分を集電体30と接触させることが出来る。   In other embodiments, the negative electrode chamber 15 and the positive electrode chamber 25 can take any suitable dimensions, but as shown in FIGS. 1A, 2A, 3A and 4A, 6A and 7A, at least in some embodiments, the positive electrode solution The positive electrode chamber 25 is relatively small so that a substantial portion of 35 is stored outside the positive electrode chamber (eg, one or more external reservoirs 55 designed to store a portion of the positive electrode solution). . Such a configuration can impart a variety of functions to the battery 10. In some embodiments, having a relatively small positive electrode chamber allows the battery to have a relatively small amount of positive electrode solution in the positive electrode chamber, thereby collecting the majority of the positive electrode solution in the positive electrode chamber as current collector 30. Can be contacted.

上記の構成に加え、電池10は、如何なる他の好適な構成要素や性質を任意に有してもよい。限定されない例示によれば、図6は、1つ以上の加熱管理システム80を有する電池10のある実施態様を示す。ある実施態様において、電池は、好適な動作温度範囲内に電池を維持できるような如何なる好適な種類の加熱管理システムを有していてもよい。そのような加熱管理システムはこれに限定されないが、例えば、加熱器、熱交換機、冷却機、1つ以上の温度センサー及び/又は適切な温度コントロール回路を含む。   In addition to the above configuration, the battery 10 may optionally have any other suitable components and properties. By way of non-limiting illustration, FIG. 6 illustrates one embodiment of the battery 10 having one or more heat management systems 80. In certain embodiments, the battery may have any suitable type of heat management system that can maintain the battery within a suitable operating temperature range. Such heat management systems include, but are not limited to, for example, a heater, heat exchanger, cooler, one or more temperature sensors, and / or appropriate temperature control circuitry.

電池10で使用される他の好適な構成要素の例として、電池のある実施態様は、リザーバー55と正極電解溶液室25との間に1つ以上のコレクター(収集機、図示せず)を有する。そのようなコレクターは如何なる好適な機能を遂行してもよく、ある実施態様において、溶液がコレクターを介して流れる際に、コレクターは液体正極溶液35からハロゲン(例えば、臭素、ヨウ素など)を収集するために使用される。   As an example of other suitable components used in battery 10, one embodiment of the battery has one or more collectors (collector, not shown) between reservoir 55 and cathode electrolyte solution chamber 25. . Such a collector may perform any suitable function, and in certain embodiments, the collector collects halogen (eg, bromine, iodine, etc.) from the liquid cathode solution 35 as the solution flows through the collector. Used for.

他の実施態様において、電池10は、放電中に負極室15から正極室25にナトリウムを輸送することが出来れば、如何なる好適な方法に変更できる。これに関し、記載された電池10のある実施態様は、容積を補う電池ケース(図示せず)を有する。   In other embodiments, the battery 10 can be modified to any suitable method as long as it can transport sodium from the negative electrode chamber 15 to the positive electrode chamber 25 during discharge. In this regard, certain embodiments of the described battery 10 have a battery case (not shown) that supplements the volume.

他の実施例において、正極溶液35は、電池10が所望の機能を有するのであれば、他の如何なる好適な成分を含んでいてもよい。実際に、ある実施態様において、正極溶液は炭素(例えば、粉末カーボン、炭素含有材料など)、及び/又は、溶液がナトリウム電導性を有し、電解質膜40及び集電体30と化学的に相溶性を有するのであれば、如何なる他の材料を含んでもよい。   In other embodiments, the positive electrode solution 35 may contain any other suitable component as long as the battery 10 has the desired function. Indeed, in certain embodiments, the positive electrode solution is carbon (eg, powdered carbon, carbon-containing material, etc.) and / or the solution is sodium conductive and is chemically compatible with the electrolyte membrane 40 and the current collector 30. Any other material may be included as long as it is soluble.

他の実施例において、電池10は電池10が所望の機能を有しながら電池の安全性を改良できるのであれば、如何なる好適な方法により改変してもよい。実際に、ある実施態様において、電池は1つ以上の圧力放出バルブ(図示せず)を有していてもよい。他の実施態様において、電池は1つ以上の外部保護カバーを有していてもよい。更に、他の実施態様において、電池は2つ以上のより小さい電池に分けられ、電池がダメージを受けたり、正常に動作しなくなることに関連する危険を低減してもよい。他の実施態様において、電解質膜40に加えて、電池は1つ以上のセパレーターを負極20及び正極溶液35の間に有し、もし電解質膜がダメージを受けたとしても、負極および正極溶液の間に生じる露出を最小と出来る。   In other embodiments, the battery 10 may be modified by any suitable method as long as the battery 10 can improve battery safety while having the desired function. Indeed, in certain embodiments, the battery may have one or more pressure relief valves (not shown). In other embodiments, the battery may have one or more external protective covers. Further, in other embodiments, the battery may be divided into two or more smaller batteries to reduce the risk associated with the battery being damaged or becoming inoperable. In other embodiments, in addition to the electrolyte membrane 40, the battery has one or more separators between the negative electrode 20 and the positive electrode solution 35, even if the electrolyte membrane is damaged, between the negative electrode and the positive electrode solution. Exposure can be minimized.

どのように電池10を改変するかに関する他の実施例として、電池のある実施態様は、電池の一部分、特に限定されないが、例えば正極室25及び/又は負極室15の圧力を制御できるように設計された圧力管理システムを有している。この圧力管理システムは如何なる好適な機能を遂行でき、ある実施態様において、ハロゲンが正極溶液35中の他の化学種(例えば、過剰のナトリウムハロゲン化合物、過剰のハロゲン分子、1つ以上の錯化剤、集電体30からの金属イオン等)と化学的に反応できるように、溶液中にハロゲンを留めるため、正極室中の十分に高い圧力を維持できる。 As another example of how to modify battery 10, certain embodiments of the battery are designed to control the pressure in a portion of the battery, such as, but not limited to, positive electrode chamber 25 and / or negative electrode chamber 15. Pressure management system. The pressure management system can perform any suitable function, and in certain embodiments, the halogen is other species in the cathode solution 35 (eg, excess sodium halide, excess halogen molecule , one or more complexing agents). Since the halogen is retained in the solution so that it can chemically react with the metal ions from the current collector 30), a sufficiently high pressure in the positive electrode chamber can be maintained.

電池10の上記の利点に加え、記載された電池は幾つかの他の利点を有する。実施例によれば、約150℃未満の温度範囲に動作可能とすることによって、電池10は、従来の再充電可能な溶融ナトリウム電池と比較して極めて低い温度で動作可能である。従って、記載された電池は、電池の動作中に必要とされる熱を低減および/または電池からの熱を放散でき、取り扱いがより安全であり、環境に優しい。加えて、比較的高温で動作する再充電可能な従来のナトリウム電池は、比較的高価な構成材料を必要とする(例えば、金属またはセラミック部材、ガラスシール及び/又は熱膨張が適合した部材)。記載された電池の実施態様では、電池はより安価な材料を使用して作ることが出来る(例えば、ポリマー材料、エポキシ、エポキシ及び/又はプラスチック製機械シール部材(例えば、Oリング85、蓋90、チューブ状フランジ92等、図3に示す)。図3Aは、ある室(例えば、負極室15)が、少なくとも部分的に他の室(例えば、正極室25)内に配置されたチューブ状の構成を有する電池10の他に実施態様を示す(これらの2室の内容物は電解質膜40及び他の隔壁によって分離されたままである)。   In addition to the above advantages of battery 10, the described battery has several other advantages. According to an embodiment, by enabling operation in a temperature range of less than about 150 ° C., battery 10 can operate at a much lower temperature compared to a conventional rechargeable molten sodium battery. Thus, the described battery can reduce the heat required during battery operation and / or dissipate the heat from the battery, is safer to handle and environmentally friendly. In addition, rechargeable conventional sodium batteries that operate at relatively high temperatures require relatively expensive construction materials (eg, metal or ceramic members, glass seals and / or members that are compatible with thermal expansion). In the battery embodiment described, the battery can be made using less expensive materials (eg, polymeric material, epoxy, epoxy and / or plastic mechanical seal members (eg, O-ring 85, lid 90, 3 shows a tube-like flange 92, etc. Fig. 3A shows a tube-like configuration in which one chamber (eg, negative electrode chamber 15) is at least partially disposed within another chamber (eg, positive electrode chamber 25). An embodiment is shown in addition to the battery 10 having (the contents of these two chambers remain separated by the electrolyte membrane 40 and other partition walls).

他の実施態様において、記載された電池10のある実施態様は、ジュール加熱を通じて好適な動作温度を維持することが出来る。その結果、高い動作温度においてそのような電池を維持するのに追加のエネルギーは必要ないため、そのような電池は比較的高効率である。   In other embodiments, certain embodiments of the described battery 10 can maintain a suitable operating temperature through Joule heating. As a result, such batteries are relatively efficient because no additional energy is required to maintain such batteries at high operating temperatures.

記載された電池10の他の実施態様は、競合する従来の電池と比較して(例えば、理論電圧約2.07Vを有するNa/S電池、理論電圧約1.85Vを有するZn/Br電池などと比較して)比較的高い理論電池電圧(例えば、約3.23V〜約3.79V)を有する。更に、記載された電池のある実施態様は、競合する従来の電池と比較して(例えば、Na/S再充電可能電池の場合約755Wh/kg、Zn/Br再充電可能電の場合約428Wh/kg)比較的高い理論比エネルギーを有する(例えば、NaBr/Br電池の場合、約987Wh/kg、NaI/I電池の場合約581Wh/kg)。同様に、記載された電池のある実施態様は、競合する従来の電池と比較して(例えば、Na/S電池の実際に比エネルギーは約150〜約240Wh/kg、Zn/Br電池の実際に比エネルギーは約65Wh/kgと比較して)、比較的高い実際の比エネルギーを有する(例えば、NaBr/Br電池の実施態様において約330〜約440Wh/kg)。 Other embodiments of the described battery 10 are compared to competing conventional batteries (eg, a Na / S battery having a theoretical voltage of about 2.07V, a Zn / Br 2 battery having a theoretical voltage of about 1.85V. And a relatively high theoretical battery voltage (e.g., about 3.23V to about 3.79V). Furthermore, certain embodiments of the described battery are compared to competing conventional batteries (eg, about 755 Wh / kg for Na / S rechargeable batteries, about 428 Wh for Zn / Br 2 rechargeable batteries). / Kg) has a relatively high theoretical specific energy (eg, about 987 Wh / kg for NaBr / Br 2 cells, about 581 Wh / kg for NaI / I 2 cells). Similarly, certain embodiments of the described battery are compared to competing conventional batteries (eg, the actual specific energy of a Na / S battery is about 150 to about 240 Wh / kg, the actual of a Zn / Br 2 battery Specific energy (compared to about 65 Wh / kg), which has a relatively high actual specific energy (eg, about 330 to about 440 Wh / kg in the NaBr / Br 2 battery embodiment).

記載された電池10の実施態様に関する比較的高い電圧と比エネルギーの結果、競合する従来の電池で得られるのと同じ電圧と比エネルギーを達成する必要があるのはより少ない実施態様おいてである。これに関し、これらのより少ない電池の使用では、電池相互連結ハードウエアの量や、所望の電圧および目的とする比エネルギーを得るために必要な充電制御回路などを減らすことが出来る。それ故、記載された電池のある実施態様は、電池全体の複雑性を低減でき、電池、相互連結ハードウエア、充電制御回路などを除いた総コストを低減できる。更に、電池の比較的高い容量および電圧の結果、そのような電池は種々の広い分野での使用が可能であり、そのような分野はこれに限定されないが、グリッドスケールエネルギー貯蔵システムや電気自動車などが挙げられる。   As a result of the relatively high voltage and specific energy associated with the described battery 10 embodiment, it is in lesser embodiments that it is necessary to achieve the same voltage and specific energy obtained with competing conventional batteries. . In this regard, the use of these fewer batteries can reduce the amount of battery interconnection hardware, the charge control circuitry required to obtain the desired voltage and desired specific energy, and the like. Thus, certain embodiments of the described battery can reduce the overall battery complexity and reduce the total cost excluding the battery, interconnect hardware, charge control circuitry, and the like. Furthermore, as a result of the relatively high capacity and voltage of batteries, such batteries can be used in a wide variety of fields, such as but not limited to grid scale energy storage systems and electric vehicles. Is mentioned.

更に他の利点として、記載された電池10のある実施態様は、競合する従来の電池と比較して比較的に長いサイクル特性を有する(例えば、NaBr/Br電池の実施態様の場合約5000ディープサイクルであり、Na/S電池の場合は約4000サイクル、Zn/Br電池の場合は約2000サイクル)。加えて、記載された電池の実施態様は、サイクル中にナトリウム及びハロゲンの効果的な利用が可能であるため、そのような実施態様は、従来の電池と比較して放電/充電サイクルが比較的深い(例えば、約70%〜約80%の高いSOC(充電状態)およびDOD(深い放電状態))。 As yet another advantage, certain embodiments of the described battery 10 have relatively long cycle characteristics compared to competing conventional batteries (eg, about 5000 deep in the case of NaBr / Br 2 battery embodiments). Cycle for Na / S batteries, about 2000 cycles for Zn / Br 2 batteries). In addition, because the described battery embodiments allow for effective utilization of sodium and halogen during cycling, such embodiments have a relatively higher discharge / charge cycle compared to conventional batteries. Deep (eg, high SOC (charged state) and DOD (deep discharged state) of about 70% to about 80%).

更に他の実施例において、記載される電池10のある実施態様は、電解質膜40(例えば、多孔質支持体上の完全に緻密なNaSICON型材料)を介したナトリウムイオンの移動性が高く、レドックス反応速度が比較的速く、特にここに記載されるように低温および中温(例えば、常温から約150℃)において速いため、比較的高い電流を生じる(それゆえ高い電力)。   In yet another example, certain embodiments of the described battery 10 have high sodium ion mobility via an electrolyte membrane 40 (eg, a fully dense NaSICON type material on a porous support), and redox. The reaction rate is relatively fast, especially at low and medium temperatures (eg, from ambient temperature to about 150 ° C.) as described herein, resulting in a relatively high current (hence high power).

図14を参照すると、電池10の更なる実施態様が示され照り得。本発明の実施態様は、NaSELECT(セラマテック・インク社、ユタ州ソルトレークシティーによる登録商標)として販売されているNaSICON膜などのナトリウムイオン伝導性電解質膜40を含む。電池10はナトリウム系負極20も含み、図14の実施態様においてナトリウム金属から成る。負極は負極室15内に収納される。ナトリウムイオンは、それぞれ、ナトリウムイオン伝導性電解質膜40を介して負極20から正極室25に移送される。集電体30aは、必要に応じて負極室15内で使用されてもよい。当業者であれば、集電体30aに使用される材料の具体的な種類は理解できるであろう。   Referring to FIG. 14, a further embodiment of battery 10 can be shown and illuminated. Embodiments of the present invention include a sodium ion conducting electrolyte membrane 40 such as a NaSICON membrane sold as NaSELECT (Ceramatec, Inc., registered trademark of Salt Lake City, Utah). The battery 10 also includes a sodium-based negative electrode 20 and is made of sodium metal in the embodiment of FIG. The negative electrode is accommodated in the negative electrode chamber 15. Sodium ions are transferred from the negative electrode 20 to the positive electrode chamber 25 through the sodium ion conductive electrolyte membrane 40, respectively. The current collector 30a may be used in the negative electrode chamber 15 as necessary. One skilled in the art will understand the specific types of materials used for the current collector 30a.

正極室25は、集電体30を含み、この場合炭素集電体から成る(もちろん他の材料(例えば金属)も使用できるが)。液体正極溶液35は正極室25中に収納される。図14の実施態様において、この溶液は、溶媒中のNaBr/Brの混合物から成る。もちろん、他のハロゲン/ハロゲン化合物含有材料でも使用できる。 The positive electrode chamber 25 includes a current collector 30, and in this case is made of a carbon current collector (although other materials (for example, metal) can be used). The liquid cathode solution 35 is stored in the cathode chamber 25. In the embodiment of FIG. 14, this solution consists of a mixture of NaBr / Br 2 in a solvent. Of course, other halogen / halogen compound-containing materials can also be used.

図14の実施態様において、電池10は、溶融ナトリウムアノード及び水性または非水臭素カソードから構築される。この電池の理論起電力は3.79Vである。Na金属の融点は約100℃であるため、この電池は、約110℃以上、好ましくは約120℃以上で作動する。この実施態様の陰極液は、臭素分子を伴う過剰のナトリウム臭化物で規定さ
れ、Br 等のナトリウムポリハロゲン化合物を形成する。これらの化学種は臭素と同じような電子活性を有しながらより低い蒸気圧を有する(ハロゲン化合物材料として臭素が記載されているが、もちろん他のハロゲン化合物も使用できる)。
In the embodiment of FIG. 14, battery 10 is constructed from a molten sodium anode and an aqueous or non-aqueous bromine cathode. The theoretical electromotive force of this battery is 3.79V. Since the melting point of Na metal is about 100 ° C., the battery operates at about 110 ° C. or higher, preferably about 120 ° C. or higher. Catholyte of this embodiment is defined with an excess of sodium bromide with bromine molecules, Br 3 - form the sodium such as polyhalogenated compound. These species have a lower vapor pressure while having the same electronic activity as bromine (bromine is described as a halogen compound material, but of course other halogen compounds can be used).

図14の実施態様は特別な利点を有する。例えば、この実施態様の発明に関する潜在用途の一つとして、グリッドスケールエネルギー貯蔵システム(Grid Scale Energy Storage Systems(ESS))及び電気自動車(EV)市場などの大型二次電池としての使用が挙げられる。更に、膜40は5×10−3S/cm程度の室温度伝導度を有する。更に、NaSICON膜は、完全に水分や他の共通溶媒(例えば、メタノール)に対して無反応である。 The embodiment of FIG. 14 has special advantages. For example, one of the potential uses related to the invention of this embodiment is its use as a large-scale secondary battery such as a grid scale energy storage system (ESS) and an electric vehicle (EV) market. Furthermore, the membrane 40 has a room temperature conductivity of about 5 × 10 −3 S / cm. Furthermore, the NaSICON film is completely unreactive with moisture and other common solvents (eg, methanol).

図14を参照すると、更なる実施態様は、液体正極溶液35に臭化物アミン付加物などの臭素および/またはポリ臭化物の付加物を形成するような化学種が添加されているように構成されている。以下は、錯化剤として機能するテトラメチルアンモニウム臭化物の例である。
Br+テトラメチルアンモニウム臭化物←→テトラメチルアンモニウム三臭化物
ある実施態様において、電池システムが圧力を受けても耐えられるように膜がNaSICONチューブである。圧力負荷は、溶液中に臭素をとどまらせるのに使用される。
Referring to FIG. 14, a further embodiment is configured such that a chemical species is added to the liquid cathode solution 35 to form a bromine and / or polybromide adduct, such as a bromide amine adduct. . The following is an example of tetramethylammonium bromide that functions as a complexing agent.
Br 2 + tetramethylammonium bromide ← → tetramethylammonium tribromide In one embodiment, the membrane is a NaSICON tube so that the battery system can withstand pressure. The pressure load is used to keep bromine in the solution.

図15を参照すると、電池10の他の実施態様が示されている、この電池10の実施態様は、図14に示される実施態様と類似する。しかしながら、図15の実施態様において、電池10は、対応する臭化物を形成する金属集電体30を利用することにより臭素の発生を避けている。カソード半電池反応を以下に示す。
Cu+Br←→CuBr+e
Ni+2Br←→NiBr+2e
Zn+2Br←→ZnBr+2e
電池における総反応は、
2Na+NiBr←→2NaBr+Ni
Referring to FIG. 15, another embodiment of battery 10 is shown. This embodiment of battery 10 is similar to the embodiment shown in FIG. However, in the embodiment of FIG. 15, battery 10 avoids the generation of bromine by utilizing a metal current collector 30 that forms the corresponding bromide. The cathode half-cell reaction is shown below.
Cu + Br ← → CuBr + e
Ni + 2Br ← → NiBr 2 + 2e
Zn + 2Br ← → ZnBr 2 + 2e
The total reaction in the battery is
2Na + NiBr ← → 2NaBr + Ni

この電池10は、臭素イオンが臭素に酸化されて不揮発性金属臭化物が形成される前の金属の酸化による。これらの電池の起電力は、Cu、Ni及びZnの場合、それぞれ、2.57V、2.61V及び2Vである。電池は120℃において、臭化物または臭素電極、錯化剤および水性または非水溶媒を含む。電池は、この状態で安定であるNaSICON膜も含む。   The battery 10 is based on oxidation of the metal before bromine ions are oxidized to bromine to form a non-volatile metal bromide. The electromotive forces of these batteries are 2.57V, 2.61V, and 2V in the case of Cu, Ni, and Zn, respectively. The battery contains a bromide or bromine electrode, a complexing agent and an aqueous or non-aqueous solvent at 120 ° C. The battery also includes a NaSICON film that is stable in this state.

図16を参照すると、電池10の更なる実施態様が示される。図16の実施態様において、電池10はナトリウムアノードを含む。しかしながら、図15に示すように、電池10はナトリウム挿入炭素アノード20aを含む。正極室25は、液体正極溶液35として使用される水性または非水臭素または臭化物溶液から成る。陽極液60は、膜40(NaSICON膜であってもよい)の近傍に配置される。   Referring to FIG. 16, a further embodiment of battery 10 is shown. In the embodiment of FIG. 16, battery 10 includes a sodium anode. However, as shown in FIG. 15, battery 10 includes a sodium-inserted carbon anode 20a. The positive electrode chamber 25 is composed of an aqueous or non-aqueous bromine or bromide solution used as the liquid positive electrode solution 35. The anolyte 60 is disposed in the vicinity of the film 40 (which may be a NaSICON film).

図16の電池10は、常温〜60℃の温度において作動させてもよく、臭素分子が効果的に複合化される場合(例えば、臭化N−メチル−N−メチルモルフォリニウム)、フリー臭素が100倍を超えるほど減少する。臭素を常温にて効果的に複合化できる錯化剤であれば、他の錯化剤も使用できる(MEMBrが亜鉛−臭素系で使用される)。ある実施態様において、この電池10は、ナトリウム挿入炭素およびNaSICON膜40の中/の間で非水陽極液65が使用される。 The battery 10 of FIG. 16 may be operated at a temperature of room temperature to 60 ° C., and when bromine molecules are effectively complexed (for example, N-methyl-N-methylmorpholinium bromide), free bromine. Decreases as it exceeds 100 times. Other complexing agents can be used as long as they can effectively complex bromine at room temperature (MEMBr is used in a zinc-bromine system). In one embodiment, the battery 10 uses a non-aqueous anolyte 65 in / between sodium-inserted carbon and NaSICON membrane 40.

図16に示される電池10の具体的な実施態様は、正極室25中に、臭化物またはハロゲン/ハロゲン化合物材料としての臭化物を使用している。NaSICON膜は、この水性または非水溶媒との接触において常温で安定である。電池10は、Naの可逆的メッキを可能とし、臭素カソードを有してもよい。電池は、実際のC−レート(C/5)及び実際の放電深度(DOD≧50%)において、最低25回の可逆サイクルを行うことが出来る。   The specific embodiment of the battery 10 shown in FIG. 16 uses bromide or bromide as the halogen / halogen compound material in the positive electrode chamber 25. NaSICON membranes are stable at room temperature in contact with this aqueous or non-aqueous solvent. The battery 10 allows reversible plating of Na and may have a bromine cathode. The battery can perform at least 25 reversible cycles at the actual C-rate (C / 5) and the actual depth of discharge (DOD ≧ 50%).

図17を参照すると、電池10の更なる実施態様が示されている。この電池はZn負極20b及び正極を使用している(正極室25内に集電体が使用されているが、この特徴は図17に示していない)。電池10は、ナトリウムイオン選択透過性で水不浸透性の緻密NaSICON膜40を使用している。陽極液65及び液体正極溶液35は、臭化ナトリウム系溶液であり臭化亜鉛溶液ではない。   Referring to FIG. 17, a further embodiment of battery 10 is shown. This battery uses a Zn negative electrode 20b and a positive electrode (a current collector is used in the positive electrode chamber 25, but this feature is not shown in FIG. 17). The battery 10 uses a dense NaSICON membrane 40 that is selectively permeable to sodium ions and impermeable to water. The anolyte 65 and the liquid cathode solution 35 are sodium bromide solutions and not zinc bromide solutions.

この電池10において、Znアノード20bは臭化ナトリウムを含む水溶液(又は他のアルカリ金属イオン及びハロゲン化合物イオン溶液)中に配置される。この図に示されるアノードはZnであるが、他の金属も使用できる。液体正極溶液35(陰極液)は臭素/ナトリウム臭化物溶液とグラファイト集電体である。放電中は、Znは酸化して臭化亜鉛を形成し、ナトリウムイオンはカソード集電体に移送され、臭素と反応して臭化ナトリウムを形成する。充電中は、Znが再び沈殿し、臭素が再生される。微孔性型電池と比較したこの電池10の利点は以下の通りである。
(1)陽極液組成物がZnを可逆的に沈殿させる調整が可能である。事実、陽極液はNaBr及びNaOHの混合物であり、電池容量ロスが起きる亜鉛の樹枝状結晶が形成さない。
(2)陰極液からの臭素が亜鉛金属に接することが無いため自己放電が生じない。
(3)陽極液および陰極液の流れの必要性を避けるために、特別な電解質化合物が使用される。
(4)非水溶媒が使用される場合、Mg等のより低い他の還元電位元素が使用でき、より高起電力電池となる。
In this battery 10, the Zn anode 20b is disposed in an aqueous solution containing sodium bromide (or other alkali metal ion and halogen compound ion solution). The anode shown in this figure is Zn, but other metals can be used. The liquid cathode solution 35 (catholyte) is a bromine / sodium bromide solution and a graphite current collector. During discharge, Zn oxidizes to form zinc bromide and sodium ions are transferred to the cathode current collector and react with bromine to form sodium bromide. During charging, Zn precipitates again and bromine is regenerated. The advantages of this battery 10 over the microporous battery are as follows.
(1) The anolyte composition can be adjusted to reversibly precipitate Zn. In fact, the anolyte is a mixture of NaBr and NaOH and does not form zinc dendrites that cause battery capacity loss.
(2) Since bromine from the catholyte does not come into contact with zinc metal, self-discharge does not occur.
(3) Special electrolyte compounds are used to avoid the need for anolyte and catholyte flow.
(4) When a non-aqueous solvent is used, other lower reduction potential elements such as Mg can be used, resulting in a higher electromotive force battery.

電池10のこの実施態様は、臭化ナトリウム中のZnアノード及び/又はNaSICON系電池内に水酸化ナトリウム溶液を有していてもよく、その配置は可逆である。この電池内のNaSICON膜は、常温において臭化物/臭素/錯化剤/水性または非水溶媒の存在に対し安定である。   This embodiment of battery 10 may have a sodium hydroxide solution in a Zn anode and / or NaSICON based battery in sodium bromide, the arrangement being reversible. The NaSICON film in this cell is stable to the presence of bromide / bromine / complexing agent / aqueous or non-aqueous solvent at room temperature.

電池10は、常温において、可逆的NaBr/Brカソード作動をするように構成されていてもよい。この電池10は、Znアノード及びNaBr/Brカソードを使用した流れの無い電池であり、実際のC−レート(C/5)及び実際の放電深度(DOD≧50%)において、最低25回の可逆サイクルを行うことが出来る。 The battery 10 may be configured to perform reversible NaBr / Br 2 cathode operation at room temperature. This battery 10 is a flowless battery using a Zn anode and a NaBr / Br 2 cathode, at least 25 times at the actual C-rate (C / 5) and the actual depth of discharge (DOD ≧ 50%). A reversible cycle can be performed.

以下の実施例は本発明の要旨に含まれる種々の実施態様を示したものである。これらの実施例は単なる例示であって、準備でき得る種々の実施態様の包括的な例では無いことを理解すべきである。   The following examples show various embodiments included in the gist of the present invention. It should be understood that these examples are illustrative only and are not exhaustive examples of the various embodiments that can be prepared.

実施例1:
この実施例において、電池10は、溶融ナトリウム負極20、白金メッシュ集電体30、20重量%NaIホルムアミド溶液から成る正極溶液(I対NaIのモル比=1:3、正極としてホルムアミドに対し5重量%の炭素)を含むように調製された。この実施例において、約120℃までの温度で2000分を超えて作動させた後、電池は図8に示されるような電池特性を有していた。具体的には、図8は、電池の充電/放電曲線のノイズが比較的多く、いくらか大きな過電圧も生じていることを示す。これに関し、これらのノイズ曲線および過電圧はホルムアミドの使用の結果だと考えられる。なぜならば、ホルムアミドはNaIのみを溶解し、ヨウ素を溶解せず、ホルムアミドはガス泡を生じ、ホルムアミドは正極溶液35中に存在可能な他の好適な溶媒と比較して低い伝導度を有するからである。それにもかかわらず、図8は、NaI/NaI電池が実施可能であることを示す少なくとも1つの実施態様であることを示している。
Example 1:
In this embodiment, battery 10, molten sodium anode 20, platinum mesh current collector 30, 20 wt% NaI formamide consisting cathode solution (I 2 versus NaI molar ratio = 1: 3, 5 to formamide as a positive electrode Weight% carbon). In this example, after operating for over 2000 minutes at a temperature up to about 120 ° C., the battery had battery characteristics as shown in FIG. Specifically, FIG. 8 shows that the charge / discharge curve of the battery is relatively noisy and some overvoltage is also occurring. In this regard, these noise curves and overvoltages are believed to be the result of the use of formamide. Because formamide only dissolves NaI, not iodine, formamide produces gas bubbles, and formamide has a lower conductivity compared to other suitable solvents that can be present in cathode solution 35. is there. Nevertheless, FIG. 8 shows at least one embodiment showing that a NaI / NaI 2 battery is feasible.

実施例2:
実施例2において、電池10は、溶融ナトリウム負極20、白金メッシュ集電体30、約25重量%以下のNaI及び約75%を超えるDMSOから成る正極溶液、5mA/cm〜10mA/cmの電流密度を有するNaSICON型膜を含むように調製された。この実施例において、約120℃まで温度の温度で150時間を超えて作動させた後、電池は図9に示されるような電池特性を有していた。具体的には、図9は、この電池が実施例1の電池と比較してより低い過電圧を有していたことを示す。これに関し、DMSO溶液はホルムアミドと比較してより伝導度が高く、それにより電池がより低い過電圧を有していたと考えられる。更に、この実施例において、DMSOがNaI及びヨウ素を溶解することは明らかである。更に、DMSOは、実施例1における電池よりもより良好に電池を作動できるような安定な電気化学窓を有すると考えられる。従って、この実施例から明らかなことは、少なくともある実施態様においてDMSOはホルムアミドよりも良好な溶媒として使用できる。
Example 2:
In Example 2, the battery 10 includes a molten sodium negative electrode 20, a platinum mesh current collector 30, a positive electrode solution composed of less than about 25% by weight NaI and more than about 75% DMSO, 5 mA / cm 2 to 10 mA / cm 2 . Prepared to include a NaSICON type membrane with current density. In this example, after operating for more than 150 hours at a temperature of up to about 120 ° C., the battery had battery characteristics as shown in FIG. Specifically, FIG. 9 shows that this battery had a lower overvoltage compared to the battery of Example 1. In this regard, it is believed that the DMSO solution has higher conductivity compared to formamide, thereby causing the battery to have a lower overvoltage. Furthermore, in this example, it is clear that DMSO dissolves NaI and iodine. Furthermore, DMSO is believed to have a stable electrochemical window that can operate the battery better than the battery in Example 1. Thus, it is clear from this example that DMSO can be used as a better solvent than formamide, at least in some embodiments.

実施例3:
実施例3において、第1の大型電池は、電流密度約3.65mA/cmで実施例1及び2で使用された膜の表面積の4倍の表面積を有する電解質膜40、溶融ナトリウム負極20、白金メッシュ集電体30及び約25wt%以下のNaIと約75wt%を超えるホルムアミド(1モルのNaIに対し0.5モルのIを含む)とから成る正極溶液35を含むように調製された。更に、第2の大型電池は、電流密度約3.65mA/cmで実施例1及び2で使用された膜の表面積の4倍の表面積を有する電解質膜40、溶融ナトリウム負極20、白金メッシュ集電体30、約25重量%以下のNaIと約75重量%を超えるDMSO(1モルのNaIに対し0.5モルのIを含む)とから成る正極溶液35を含むように調製された。これらの2つの電池は、約120℃まで温度の温度で120時間を超えて電池の利用できる容量の放電深度約20%で作動させた後、第1の電池および第2の電池の電池特性をまとめたものを図9及び図10に示す。具体的には、図10及び図11は、二つの電池が実際上理想的な電池特性を有することを示す。更に、本実施例の第2の電池において、図12は、電池の利用できる容量の放電深度約50%で作動させた際の電池特性のある部分を示す。これに関し、図12は、比較的ディープサイクル(放電深度が深い)の電池の作動に実現可能であることを示す。
Example 3:
In Example 3, the first large battery comprises an electrolyte membrane 40 having a surface area that is four times the surface area of the membrane used in Examples 1 and 2 at a current density of about 3.65 mA / cm 2 , a molten sodium negative electrode 20, It is prepared containing a positive electrode solution 35 consisting of platinum mesh current collector 30 and about 25 wt% (relative to 1 mol of NaI containing 0.5 mole of I 2) less NaI and about 75 wt% more than formamide . Further, the second large battery has an electrolyte membrane 40, a molten sodium negative electrode 20, a platinum mesh collector having a surface area that is four times the surface area of the membrane used in Examples 1 and 2 at a current density of about 3.65 mA / cm 2. collector 30, was prepared to contain a positive solution 35 consisting of about 25 weight percent of NaI and DMSO greater than about 75 wt% (relative to 1 mol of NaI containing 0.5 mole of I 2). These two batteries have the battery characteristics of the first battery and the second battery after operating at a temperature of up to about 120 ° C. for more than 120 hours at a discharge depth of about 20% of the available capacity of the battery. The summary is shown in FIG. 9 and FIG. Specifically, FIGS. 10 and 11 show that two batteries have practically ideal battery characteristics. Furthermore, in the second battery of the present example, FIG. 12 shows a part having battery characteristics when operated at a discharge depth of about 50% of the available capacity of the battery. In this regard, FIG. 12 shows that it is feasible to operate a battery with a relatively deep cycle (deep discharge depth).

実施例4:
この例では、電池10は、溶融ナトリウム負極20、電流密度が約10mA/cmを有するNaSICON型膜から成る電解質膜40及びNaI/Iが有機溶媒に溶解した溶液と添加炭素から成る正極溶液35を含むように調製された。電池は約110℃で30時間を超えて作動させた。この実施例の電池の試運転の電池特性一部分を図13に示す。これに関し、図13は、この例の電池の電圧降下が比較的大きく、データ中にノイズがあることを示す。しかしながら、図13はヨウ素を使用したナトリウム−ハロゲン系電池の実現可能性も示している。
Example 4:
In this example, the battery 10 includes a molten sodium negative electrode 20, an electrolyte film 40 made of a NaSICON type film having a current density of about 10 mA / cm 2, and a positive electrode solution made of a solution in which NaI / I 2 is dissolved in an organic solvent and added carbon. 35 was prepared. The cell was operated at about 110 ° C. for over 30 hours. FIG. 13 shows a part of the battery characteristics of the test run of the battery of this example. In this regard, FIG. 13 shows that the voltage drop of this example battery is relatively large and that there is noise in the data. However, FIG. 13 also shows the feasibility of a sodium-halogen battery using iodine.

それ故、上述の実施例は、ヨウ化ナトリウムを溶解し、(少なくとも部分的に)ヨウ素も溶解する溶媒としてDMSO又はNMFを使用するNa−ヨウ素電池の実施を示している。これらのシステムは、NaI/ヨウ素カソードの放電深度約50%を可能にし、好ましくはNaI/ヨウ素カソードの放電深度約70%を可能にする。ある実施態様において、Ptカソードは低コストのカソードに置き換えてもよい。電池に使用する膜はNaSICON膜であってもよく、10mA/cm以上の電流密度を有していてもよい。 Thus, the above examples illustrate the implementation of Na-iodine batteries using DMSO or NMF as a solvent that dissolves sodium iodide and (at least in part) also dissolves iodine. These systems allow a NaI / iodine cathode discharge depth of about 50%, and preferably a NaI / iodine cathode discharge depth of about 70%. In some embodiments, the Pt cathode may be replaced with a low cost cathode. The film used for the battery may be a NaSICON film or may have a current density of 10 mA / cm 2 or more.

ここに記載された電池は、他の型の電池に対して顕著な利点を有する。例えば、上述の通り、種々の公知のナトリウム再充電可能電池は、例えば250℃を超えるような、或いは270℃を超えるような高温度で作動させなければならない。しかしながら、本発明に記載の通り、本実施態様では、250℃未満の温度で作動できる。実際に、ある実施態様において、作動温度は常温であったり、約60℃未満の温度であったり、約150℃未満の温度の温度であったり、200℃未満の温度であったり、180℃未満の温度であったりする。電池のこれらの作動温度範囲は、電池を非常に高い温度(例えば270℃)に加熱するための資源を必要としないので、顕著な効果をもたらす。   The batteries described herein have significant advantages over other types of batteries. For example, as described above, various known sodium rechargeable batteries must be operated at high temperatures, such as above 250 ° C or above 270 ° C. However, as described in the present invention, this embodiment can operate at temperatures below 250 ° C. Indeed, in certain embodiments, the operating temperature is ambient, less than about 60 ° C, less than about 150 ° C, less than 200 ° C, less than 180 ° C. Or the temperature. These operating temperature ranges of the battery provide a significant effect because they do not require resources to heat the battery to a very high temperature (eg, 270 ° C.).

更に、本実施態様のいくつかは、セパレーターとして、ナトリウムβ’’−アルミナセラミック材料の代わりにNaSICONを使用している。NaSICONは水および他の有機溶媒に対して相溶性があるため、ナトリウムβ’’−アルミナセラミックに対して特別の利点を有する。更に、NaSICONは、膜の片側における反応が膜の他の側の反応を汚染したり/妨げたりするような問題も無く、膜による2つのそれぞれの側を最適化して電池を2つの部分に分割することが出来る。   In addition, some of the embodiments use NaSICON instead of sodium β ″ -alumina ceramic material as a separator. NaSICON has particular advantages over sodium β ″ -alumina ceramics because it is compatible with water and other organic solvents. In addition, NaSICON does not have the problem of reactions on one side of the membrane contaminating / preventing reactions on the other side of the membrane, optimizing each side of the membrane and splitting the battery into two parts I can do it.

本発明に記載の全ての出願および特許文献は参照により本発明に引用される。   All applications and patent documents mentioned in this invention are incorporated herein by reference.

本発明の実施態様は、本発明の要旨および必須性能を逸脱しない範囲において他の具体的な実施も可能である。記載された実施態様および実施例は、いかなる点においても単なる例示であって、本発明を限定するものではない。本発明の要旨は、上述の記載よりも付随する特許請求の範囲によって示されるものである。特許請求の範囲と等価の手段や範囲内での全ての変更も本発明の範囲内と含まれる。   The embodiments of the present invention can be implemented in other specific ways without departing from the spirit and essential performance of the present invention. The described embodiments and examples are merely exemplary in any way and are not intended to limit the invention. The gist of the present invention is indicated by the appended claims rather than the foregoing description. All modifications within the scope and the equivalent of the claims are also included in the scope of the present invention.

Claims (31)

ナトリウムから成る負極から成る負極室と、正極溶液中に配置された集電体から成る正極室と、正極溶液から負極を分離するNaSICON型材料から成るナトリウムイオン伝導性電解質膜とから成るナトリウム−ハロゲン二次電池であって、放電中に負極は電気化学的に酸化してナトリウムイオンを放出し、充電中に負極は電気化学的にナトリウムイオンを還元してナトリウム金属を形成し、正極溶液がハロゲン及びNaBr、NaI及びNaClから選択されるナトリウムハロゲン化合物から成り、正極溶液中のナトリウムハロゲン化合物の量が、ハロゲンと反応し、ナトリウムポリハロゲン化合物を形成し、正極溶液中のハロゲン量を減少させるのに十分な量より過剰であることを特徴とするナトリウム−ハロゲン二次電池。 A sodium-halogen comprising a negative electrode chamber comprising a negative electrode made of sodium, a positive electrode chamber comprising a current collector disposed in the positive electrode solution, and a sodium ion conductive electrolyte membrane comprising a NaSICON type material separating the negative electrode from the positive electrode solution. a secondary battery, the negative electrode during discharge to release sodium ions are electrochemically oxidized, the negative electrode of the sodium metal was formed by reducing electrochemically sodium ions during charging, the positive electrode solution halogen And a sodium halogen compound selected from NaBr, NaI and NaCl, wherein the amount of the sodium halogen compound in the positive electrode solution reacts with the halogen to form a sodium polyhalogen compound, thereby reducing the halogen content in the positive electrode solution. Sodium-halogen secondary battery, characterized in that it is in excess of an amount sufficient for 負極が溶融ナトリウム金属から成る請求項1に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode is made of molten sodium metal. 負極の温度が150℃未満で作動できる請求項1に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 1, which can operate at a temperature of the negative electrode of less than 150 ° C. 負極の温度が100℃未満で作動できる請求項3に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 3, which can operate at a temperature of the negative electrode of less than 100 ° C. 負極の温度が250℃未満で作動できる請求項1に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 1, which can operate at a temperature of the negative electrode of less than 250 ° C. 負極の温度が200℃未満で作動できる請求項1に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 1, which can operate at a temperature of the negative electrode of less than 200 ° C. 負極の温度が180℃未満で作動できる請求項1に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 1, which can operate at a temperature of the negative electrode of less than 180 ° C. 負極がナトリウム金属およびナトリウムインターカレーション炭素から選択される材料から成る請求項1に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode is made of a material selected from sodium metal and sodium intercalation carbon. 二次電池作動中、負極が固体として残っている請求項8に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 8, wherein the negative electrode remains as a solid during the operation of the secondary battery. 負極の温度が60℃未満で動作可能な請求項8に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 8, which can operate at a temperature of the negative electrode of less than 60 ° C. 更に、負極と電解質膜との間に配置される非水負極溶液を有する請求項8に記載の二次電池。   Furthermore, the secondary battery of Claim 8 which has a non-aqueous negative electrode solution arrange | positioned between a negative electrode and an electrolyte membrane. NaSICON型材料が、多孔性層と緻密な機能性被覆層とから成る複合膜から成る請求項1に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 1, wherein the NaSICON type material comprises a composite film comprising a porous layer and a dense functional coating layer. 正極溶液が、N−メチルホルムアミド及びジメチルスルホキシドから成る群より選択される溶媒から成る請求項1に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode solution comprises a solvent selected from the group consisting of N-methylformamide and dimethyl sulfoxide. 正極溶液が、正極溶液中のハロゲン、ナトリウムハロゲン化合物およびポリハロゲン化合物の少なくとも1つと錯体を形成できる錯化剤を含む請求項1に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode solution contains a complexing agent capable of forming a complex with at least one of a halogen, a sodium halogen compound, and a polyhalogen compound in the positive electrode solution. 錯化剤がテトラメチルアンモニウムハロゲン化合物から成る請求項14に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 14 , wherein the complexing agent comprises a tetramethylammonium halogen compound. 集電体が、銅、ニッケル、亜鉛およびこれらの組合せから成る群より選択される金属である請求項1に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 1, wherein the current collector is a metal selected from the group consisting of copper, nickel, zinc, and combinations thereof. 更に、正極室と液流で通じている第1のリザーバーと、正極溶液を第1のリザーバーから正極室に流し、集電体を通過させるように構成された第1のポンプ機構とを有する請求項1に記載の二次電池。   And a first reservoir in fluid communication with the positive electrode chamber and a first pump mechanism configured to flow the positive electrode solution from the first reservoir to the positive electrode chamber and to pass the current collector. Item 11. The secondary battery according to Item 1. 負極が溶融ナトリウム金属から成り、更に負極室と液流で通じている第2の液流リザーバーと、溶融ナトリウム金属を第2のリザーバーから負極室に流すように構成された第2のポンプ機構とを有する請求項17に記載の二次電池。   A second liquid flow reservoir in which the negative electrode is made of molten sodium metal and is in fluid flow with the negative electrode chamber; and a second pump mechanism configured to flow molten sodium metal from the second reservoir to the negative electrode chamber; The secondary battery according to claim 17, comprising: ナトリウム金属負極から成る負極室と、ハロゲン及びNaBr、NaI及びNaClから選択されるナトリウムハロゲン化合物から成る正極溶液中に配置される集電体から成る正極室と、負極を正極溶液から分離するNaSICON型材料から成るナトリウムイオン伝導性電解質膜とから成る溶融ナトリウム二次電池であって、電池の放電中にナトリウム金属負極が電気化学的に酸化してナトリウムイオンを放出し、電池の再充電中にナトリウムイオンを電気化学的に還元してナトリウム金属を形成し、ナトリウム金属負極は電池の作動中に溶融しており、正極溶液中のナトリウムハロゲン化合物の量が、ハロゲンと反応し、ナトリウムポリハロゲン化合物を形成し、正極溶液中のハロゲン量を減少させるのに十分な量より過剰であり、ことを特徴とする溶融ナトリウム二次電池。 A negative electrode chamber comprising a sodium metal negative electrode, a positive electrode chamber comprising a current collector disposed in a positive electrode solution comprising a halogen and a sodium halogen compound selected from NaBr, NaI and NaCl, and a NaSICON type for separating the negative electrode from the positive electrode solution A molten sodium secondary battery comprising a sodium ion conductive electrolyte membrane comprising a material , wherein the sodium metal negative electrode is electrochemically oxidized during the discharge of the battery to release sodium ions, and the sodium is discharged during the recharging of the battery. Ions are electrochemically reduced to form sodium metal, the sodium metal negative electrode is melted during battery operation, and the amount of sodium halogen compound in the positive electrode solution reacts with the halogen to produce sodium polyhalogen compound. formed, is in excess of the amount sufficient to reduce the halogen content of the positive electrode solution, it Molten sodium secondary battery characterized. 負極の温度が100℃〜150℃で動作可能である請求項19に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 19 , wherein the secondary battery is operable at a temperature of 100 ° C. to 150 ° C. 正極溶液が錯化剤を含む請求項19に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 19 , wherein the positive electrode solution contains a complexing agent. 錯化剤がテトラメチルアンモニウムハロゲン化合物材料から成る請求項21に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 21 , wherein the complexing agent comprises a tetramethylammonium halide compound material. 正極溶液が、溶融フルオロスルホニルアミド中に溶解した溶融ナトリウムハロゲン化合物から成る請求項19に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 19 , wherein the positive electrode solution comprises a molten sodium halogen compound dissolved in molten fluorosulfonylamide. フルオロスルホニルアミドが1−エチル−3−メチルイミダゾリウム−(ビス(フルオロスルホニル)アミドから成る請求項23に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 23 , wherein the fluorosulfonylamide comprises 1-ethyl-3-methylimidazolium- (bis (fluorosulfonyl) amide. 集電体がナトリウムインターカレーション材料から成る請求項19に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 19 , wherein the current collector is made of a sodium intercalation material. 更に、正極室と液流で通じている第1のリザーバーと、正極溶液を第1のリザーバーから正極室に流し、集電体を通過させるように構成された第1のポンプ機構とを有する請求項19に記載の二次電池。 Furthermore, claims having a first reservoir in communication with positive electrode chamber and liquid flow, and a first pump mechanism a positive solution to flow from the first reservoir to the positive electrode chamber, which is configured to pass a current collector Item 20. The secondary battery according to Item 19 . 負極から成る負極室と、ハロゲン及びハロゲン化合物の少なくとも1つから成る正極溶液に配置される集電体から成る正極室と、負極を正極溶液から分離するナトリウムイオン伝導性電解質膜と、負極および電解質膜の間に配置される非水負極溶液とから成る二次電池であって、負極がナトリウム金属およびナトリウムインターカレーション炭素アノードから選択される材料から成り、電池の放電中に負極は電気化学的に酸化してナトリウムイオンを放出し、電池の再充電中に負極は電気化学的にナトリウムイオンを還元してナトリウム金属を形成し、負極は二次電池の作動中に固体状態を留めており、ナトリウムイオン伝導性電解質膜がNaSICON型材料から成ることを特徴とする二次電池。   A negative electrode chamber comprising a negative electrode; a positive electrode chamber comprising a current collector disposed in a positive electrode solution comprising at least one of halogen and a halogen compound; a sodium ion conductive electrolyte membrane separating the negative electrode from the positive electrode solution; and the negative electrode and an electrolyte A secondary battery comprising a non-aqueous negative electrode solution disposed between membranes, wherein the negative electrode is made of a material selected from sodium metal and sodium intercalated carbon anode, the negative electrode being electrochemical during discharge of the battery To release sodium ions, the negative electrode electrochemically reduces sodium ions to form sodium metal during battery recharging, and the negative electrode remains in a solid state during secondary battery operation, A secondary battery wherein the sodium ion conductive electrolyte membrane is made of a NaSICON type material. 負極の温度が60℃未満で二次電池が動作可能である請求項27に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 27 , wherein the secondary battery is operable when the temperature of the negative electrode is less than 60 ° C. 正極溶液が錯化剤を含む請求項27に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 27 , wherein the positive electrode solution contains a complexing agent. 錯化剤がハロゲン化N−メチル−N−メチルモルフォリン化合物から成る請求項29に記載の二次電池。 30. The secondary battery according to claim 29 , wherein the complexing agent comprises a halogenated N-methyl-N-methylmorpholine compound. 更に、正極室と液流で通じている第1のリザーバーと、正極溶液を第1のリザーバーから正極室に流し、集電体を通過させるように構成された第1のポンプ機構とを有する請求項27に記載の二次電池。
Furthermore, claims having a first reservoir in communication with positive electrode chamber and liquid flow, and a first pump mechanism a positive solution to flow from the first reservoir to the positive electrode chamber, which is configured to pass a current collector Item 27. The secondary battery according to item 27 .
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